活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭吸附去除挥发性甲苯

　　从空气中去除挥发性有机化合物(VOC)在工业中非常重要。化学和石油工业中使用的过程所排放的典型VOC包含芳烃、醚、醛、卤化化合物等。甲苯是各种工业过程排放的最重要的VOC之一。它已广泛用作制造油漆、油墨、橡胶、粘合剂和各种其他化学物质的代表性溶剂。甲苯通过蒸发、泄漏和废气排放到大气中。活性炭吸附是一种比较好的VOC去除方法，因为它具有低能耗、成本效益和高VOC去除能力，即使在低VOC浓度下也是如此。在本研究中，从植物壳中制备活性炭以生产用于去除气态甲苯的吸附剂。为了引入甲苯吸附所需的孔，应用了碳酸钾的化学活化。这项工作的主要目的是评估化学活化对活性炭的气态甲苯去除能力的影响。比较了使用和不使用K2CO3活化制备的吸附剂的甲苯去除能力。

　　活性炭材料的活化与原材料

　　使用和不用K2CO3浸渍制备的原材料末均通过加热转化为黑色碳质固体。然而，产品收率有所不同。对于未活化和K2CO3浸渍的外壳粉末，计算的产率分别为26%和23% 。活性炭的低收率是常见的，例如，通过气体活化获得的活性炭的产率约为10%。这些低收率的原因是由于碳与各种反应物(例如H2O、O2、CO2、K2O、K2CO3等)的气化。当原材料在K2CO3存在下碳化时，发生K2CO3通过碳的还原，K2CO3与碳反应生成金属钾、CO和CO2。因此，损失了一些碳质产品。当K2CO3浸渍产品和用于碳化的石英管的内壁与水接触时观察到燃烧。这种行为表明通过碳还原K2CO3形成金属钾。

　　图1：未活化的活性炭原材料(A)和K2CO3活化的活性炭(B)的照片。

　　图1显示了1g未活化和K2CO3活化吸附剂样品的照片。它们的体积密度明显不同。这种差异表明K2CO3活化有效地将孔引入吸附剂中。这种通过K2CO3活化导致的堆积密度显着降低是由K2CO3本身的热分解或通过碳的还原引起的。这两个反应都会生成CO和CO2，并且它们有效地产生了孔隙，如本文后面所示。这种孔的形成导致表观堆积密度的降低。吸附剂的表观堆积密度根据重量(1g)与体积比粗略估计，该比是根据试管中颗粒层的高度和直径计算的。

　　图2：未活化吸附剂(A)和活性炭(B)的SEM图像。

　　未活化和K2CO3活化活性炭的SEM图像在图2显示。这两种吸附剂的表面形态完全不同。未活化吸附剂的单个颗粒具有相对光滑的表面(图2A)，而活性炭的颗粒具有高度多孔性(图2B)。该结果表明活化剂活化后活性炭表面上产生了很多孔。从图2B中可以看出，产生的孔主要分为中孔和/或大孔。

　　从空气中去除气态甲苯

　　未活化和活性炭的甲苯浓度与时间的关系在图3a显示。初始浓度约为230ppm。当吸附剂与含有甲苯的空气接触时，甲苯浓度降低。观察到的浓度变化的比较揭示了未活化和活性炭之间的明显差异。对于未活化的吸附剂，浓度随时间降低，但在大约180-170ppm不变。该结果表明，在暴露约60分钟后吸附的甲苯量变得恒定。相比之下，对于K2CO3-活化的吸附剂，甲苯浓度的降低更为显着，并且在整个观察过程中(0-120分钟)浓度继续降低。该结果表明在观察过程中甲苯吸附没有达到平衡;在平衡状态下，吸附在活性炭上的甲苯量可能比未活化吸附剂上的吸附量大得多。因此，活性炭的甲苯吸附能力通过用K2CO3活化而提高。甲苯吸附能力的这种增加与上述的SSA增加和通过K2CO3活化引入中孔相一致。

　　为了研究在此处使用的条件下K2CO3活化的活性炭是否可以完全去除甲苯，观察甲苯浓度24小时。图3b显示了24小时观察期间甲苯浓度与时间的关系。活性炭显然能够从空气中吸附大量气态甲苯。吸附24小时后的最终甲苯浓度非常低，仅检测到痕量的甲苯。相比之下，当使用未活化的吸附剂时，即使在吸附24小时后，仍有相当数量的甲苯(160ppm)。

　　图3：在(A)120分钟和(B)24小时观察未活化吸附剂(红色)和活性炭(紫色)期间，甲苯浓度随时间的变化。

　　使用的初始甲苯浓度(200–240ppm)远高于美国政府工业卫生学家会议(20ppm)设定的职业阈值限值。在此处使用的实验条件下，活性炭能够将甲苯浓度降低至阈限值以下。这些结果表明K2CO3活化可有效制备用于彻底去除挥发性甲苯的吸附剂。在本研究中，使用0.2g吸附剂来跟踪甲苯浓度的时间过程。最大甲苯吸附容量没有根据目前的观察立即确定，因为在目前条件下达到的甲苯浓度几乎为零。

　　活性炭吸附去除挥发性甲苯，比较了活化后和未活化活性炭的甲苯吸附能力。活化后的活性炭比未活化的吸附剂吸附更多的甲苯。甲苯去除能力增强的原因是未活化吸附剂和K2CO3活化吸附剂之间的比表面积和中孔结构的差异。这些结果表明，通过K2CO3化学活化可提高活性炭的甲苯吸附能力。在本案例中，活性炭能够在24小时后将相对较高的初始甲苯浓度(220ppm)降低到几乎为零。在目前的情况下，甲苯的主要吸附机制是甲苯分子在活性炭表面的简单物理吸附。在这种情况下，甲苯和活性炭表面之间没有发生化学反应。因此，除甲苯之外的吸附物，如苯、二甲苯和水蒸气，也可以竞争性地吸附在本工作制备的活性炭上。

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