活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭对废物恶臭的处理能力

　　一般的废物恶臭气体来自含硫化合物和含氮化合物，我们选择了五种废物中散发异味的废气，并使用活性炭研究了它们的吸附能力和解吸效率。所选气体包括极性气体(硫化氢H2S和氨气NH3和非极性气体乙醛、甲硫醇和三甲胺。活性炭具有非极性和疏水特性的微孔、中孔和大孔。由于这些特点，活性炭被广泛应用于BTEX系列VOC气体吸附研究。通常，活性炭对VOCs等非极性气体具有较高的吸附性能。

　　活性炭吸附剂

　　为了研究废物废气的去除效率，购买了颗粒状活性炭吸附剂，尺寸为3.0-4.0mm。实验前将材料在110℃下干燥24小时。通过工业分析、元素分析(EA)和N2吸附/解吸性能分析吸附剂。对于近似分析，将干燥的吸附剂碳放入炉中并在950℃下加热7分钟，然后在750℃下加热10小时。样品产品，包括灰分、挥发物和固定碳含量，测量为总重量的百分比。使用元素分析仪在900℃下进行EA12分钟，以确定碳、氢、氧、氮和硫的浓度。

　　通过扫描电子显微镜(SEM)分析，可以在微观世界中观察活性炭的表面形态。图1a中的SEM图像显示，活性炭由具有许多孔隙的小块组成，并且在表面上发育良好。SEM图像中高度发达的中孔具有相对较高的BET表面积和孔径分布。采用热重分析(TGA)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)观察吸附剂表面失重和活性官能团的变化。对活性炭进行TGA分析以研究其热稳定性，结果如图1b所示。TGA曲线显示活性炭的重量开始缓慢下降。在失重过程中，直至130℃分解为羧基，在逐渐失重过程中直至600℃分解为内酯和酚基。在800℃时，发生的重量损失是由于醚和醌基团的分解。在大约1000℃后，活性炭的重量保持在初始重量的51.6%左右。活性炭的FT-IR光谱如图1c所示。活性炭的官能团在1022cm-1、1583cm-1和1659cm-1处显示出三个主峰，它们分别参与羧基中CO和C=O键的拉伸。范围内的谱带推断出双取代炔烃中碳-碳三键的存在可以从2250–2400cm-1。然而，在2500~4000cm-1范围内未发现羟基(OH)、不对称或对称(CH)拉伸的谱带。

　　图1：(a)扫描电子显微镜(SEM)图像，(b)TGA重量百分比曲线，以及(c)活性炭的光谱图。

　　活性炭对恶臭废气的吸附性能

　　为了评估活性炭对不同废气的有效吸附量，应研究其吸附能力。废气的气味阈值和刺激水平在十亿分之一的水平。吸附剂的总吸附容量很难用作从废物中去除废气的设备的设计因素。因此，我们根据突破点计算了小于1ppm的有效吸附量。突破柱实验在304不锈钢管式反应器中进行，总流量为1L/min，其中包含硫化氢(H2S)、氨(NH3)、乙醛(AA)、甲硫醇(MM)和三甲胺(TMA)，如图2所示。突破曲线依次为H2S、NH3、AA、MM、TMA。与废气相比，TMA具有更好的动态吸附性能，因为它具有更长的突破时间和相应的更大的有效吸附容量(<1ppm)。

　　图2：废气在活性炭上的突破曲线。

　　SV对NH3气体的影响

　　活性炭对氨的有效吸附能力受气相SV变化的影响。流速从0.1升/分钟增加到10升/分钟。结果表明，接触时间足以使气态氨流过孔隙间和孔内，到达停滞区，并粘附在吸附剂床上。较高的流速与大多数氨可以从吸附剂表面位点逸出的事实形成对比，因为它在入口处具有高输入负载。这表明应该控制吸附剂上捕获的氨的动力学。

　　不同吸附NH3浓度的解吸模式

　　分析了不同浓度(40ppm和1000ppm)和流速(10、20和30L/min)下氨的解吸，结果如图3所示。最大解吸浓度根据吸附浓度而不同。然而，结果表明氨在浓缩十倍后解吸。使用浓度为40ppm的吸附剂检查根据解吸流量的解吸速率。大约60%的吸附氨在10L/min的流速下大约1.8小时后解吸，大约79%的吸附氨在20L/min的流速下1.5小时后解吸。在30L/min的最高解吸流速下，大约81%的氨在1.4小时后被解吸。结果表明存在拖尾现象，其中由于解吸所需的能量不足，解吸会在较长时间内以低流速发生。在浓度为1000ppm时，随着解吸流速的增加，解吸速率增加，解吸时间减少。由于初始进料浓度为1000ppm，解吸率为50%、79%和80%所需的吸附时间分别为2.4、2.3和1.4小时。结果表明，无论吸附浓度如何，解吸量都随着流速的增加而增加，因为解吸量与解吸能量成正比。

　　图3：解吸流速对1000ppm浓度下(a)40ppm和(b)100℃在活性炭上吸附的影响。

　　活性炭对废物恶臭的处理能力的研究中，使用废物产生的五种污染废气，包括硫化氢、氨、乙醛、甲硫醇和三甲胺，评估了吸附剂的有效吸附能力。为了比较废气的有效吸附能力，使用活性炭作为吸附剂。三甲胺、甲硫醇、乙醛、氨和硫化氢的有效吸附容量与分子大小成正比，极性气体(硫化氢和氨)导致有效吸附容量低于非极性气体(乙醛、甲硫醇和三甲胺)。在氨这种极性气体的每种吸附条件下进行了实验。活性炭的有效吸附量与SV成反比，有效吸附量随着供给浓度的增加而增加。相反，有效吸附容量随着流速的增加而降低。此外，在吸附过程中以低流速供应高浓度导致高有效吸附容量。解吸速率与解吸流速和解吸温度成正比。在150℃时，100%的吸附氨被解吸。总之，在不同的吸附/解吸条件下进行了实验，以去除废物中的恶臭气味。结果表明，活性炭是一种很好处理恶臭的环保材料。

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