活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭改性处理废气后用磷酸盐再活化

　　活性炭是一种经过加工活化的碳，具有发达的多孔结构、高表面积和可用于吸附的高微孔体积。由于其高度微孔性，一克活性炭的表面积可能在1000至2000m2之间，甚至更大。活性炭在空气处理中有很大的用途，非改性活性炭通常可有效吸附不具有高挥发性(即沸点高于65℃)的有机化合物。然而，为了有效过滤挥发性有机化合物和低分子量气体，例如氰化氢(HCN)、氯化氰(表示为CK或CNCl)、二氧化硫、氨、甲醛和氯气，有必要用金属添加剂浸渍活性炭。通过化学吸附，目标气体对浸渍金属的吸附比通过物理吸附对活性炭的吸附更有效。铬与铜和少量银最初被发现是一种有效的添加剂组合。目前常用的添加剂包括铜盐、锌盐、钼盐、银盐和三亚乙基二胺。改性活性炭可有效去除气体和/或蒸汽，包括有机化合物蒸汽、氯、氯化氢、氰化氢、氯化氰、二氧化硫、硫化氢、甲醛等。

　　用于空气过滤的改性活性炭在经过一下恶劣工况下，会因浸渍金属失活而逐渐失去化学吸附有害气体的功能。为了稳定活性炭免于失活并延长空气处理器的使用效果，无机磷酸盐化合物(磷酸及其三种盐：NaHPO4、Na2HPO4和Na3PO4)被用作两种不同的浸渍铜、锌、钼和三乙烯二胺的活性炭的从新活化添加剂。

　　活性炭失活实验

　　在实验条件下活性炭加速失活3个月和6个月，对比常态下的改性活性炭对抗废气的效果分别降低了59-89%和>75%。磷酸盐的添加抑制了活性炭的失活，失活3-6个月后防护值仅下降17~23%和32~37%。一般来说，与正常情况相比，保护后的活性炭可以提高吸附时长。其原因是失活后，特别是在没有添加剂的活性炭中，浸渍金属的化学吸附能力非常低。因此，废气的吸附主要通过物理吸附发生。干燥去除了占据物理吸附位点的水，从而能够通过物理吸附吸附一定量的废气。实际上，即使活性炭失活并超过其预期保质期，其保护能力也可能通过干燥而部分恢复。

　　磷酸盐浓度(NaH2PO4·H2O)对活性炭失活的影响

　　为了评估最佳磷酸盐浓度，通过改变活性炭中NaH2PO4·H2O的浓度进行了进一步的实验。结果如图1所示。

　　图1：磷酸盐添加剂(NaH2PO4·H2O)浓度对新的和浸渍的活性炭的防护值的影响。(A)改性活性炭，(B)活性炭。

　　如图1A所示，浓度为3.38wt.%的磷酸盐添加剂足以实现活性炭保护值的最小降低。对于改性活性炭，使用5.15wt.%磷酸盐添加剂获得了最大效率。

　　磷酸盐类型对活性炭失活的影响

　　为了评估磷酸盐添加剂类型是否影响添加剂防止活性炭失活下的效果，用其他磷酸盐化合物(H3PO4、Na2HPO4·2H2O和Na3PO4·12H2O)进行了进一步的实验。磷酸(H3PO4)和磷酸二氢二水合物(Na2HPO4·2H2O)对活性炭吸附废气的保护值的影响分别如图2和图3所示。

　　图2：磷酸浓度对新的和失活的活性炭保护值的影响。

　　图3：二水合磷酸二氢盐(Na2HPO4·2H2O)对新的和失活的活性炭保护值的影响。

　　可以看出，浓度为5.15wt.%的磷酸对于抑制失活非常有效(加速失活6个月后保护值保持不变)。然而，添加5.15wt.%磷酸后，初始保护值(对于新碳)显着降低，从171g/min/m3降至95g/min/m3。总体而言，磷酸是不如NaH2PO4有利的添加剂。

　　使用Na2HPO4·2H2O添加剂的实验在6.52%的浓度下进行，其摩尔当量相当于5.15%的NaH2PO4·H2O浓度。图3的结果表明，Na2HPO4·2H2O添加剂也能有效防止失活，但不如NaH2PO4·H2O有效。例如，失活180天后，防护值含有Na2HPO4·2H2O添加剂的活性炭浓度下降至65mg/min/m3相比之下，使用NaH2PO4·H2O添加剂的活性炭为107mg/min/m3。

　　用磷酸三钠12水合物(Na3PO4·12H2O)在活性炭上进行类似的实验，活性炭失活后干燥。实验在11.03wt.%的浓度下进行，相当于4.00wt.%的NaH2PO4·H2O的摩尔当量。很明显，磷酸三钠在抑制衰老方面并不有效。经过3个月的加速失活，保护值甚至低于未改性的活性炭。然而，Na3PO4·12H2的效率可能会降低如果在酸性环境中或与酸或酸性化合物一起添加，效果会更好。这是因为酸性条件可以向磷酸盐提供质子，导致磷酸钠有效地充当Na2HPO4或NaH2PO4。总体而言，结果表明，在由磷酸及其三种钠盐组成的磷酸盐添加剂中，一元盐NaH2PO4·H2O是抑制失活最有效的添加剂。

　　活性炭改性处理废气后用磷酸盐再活化的研究中，我们开发了一种含有磷酸盐添加剂的活性炭，以提高过滤材料的长期抗失活能力。添加磷酸盐，特别是磷酸二氢钠NaH2PO4，浸渍有铜、锌、钼的活性炭被发现对于抑制在恶劣环境下吸附废气的失活效应非常有效。加速失活3个月后，废气保护值仅下降约20%，而无添加剂时为96%。与有机添加剂不同，磷酸盐添加剂不占据物理吸附位点，因此，没有观察到针对物理吸附化合物(甲苯)的保护值的降低。活性炭中磷酸盐添加剂的效率非常高，尽管它没有抑制铜从碳颗粒的内部到外表面的迁移。

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