活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　甲苯属于挥发性有机化合物能对环境和生物产生危害，目前有许多技术，如催化氧化，吸附和生物法来去除它，主要选择活性炭是因为有高效率，成本低，易于再生等优秀性能。我们这次通过添加含氮磷酸盐，包括磷酸铵，聚磷酸铵和磷酸脲，从植物生物质制备新型活性炭。我们用三种具有不同磷含量和氮形成的含氮磷酸盐来制造活性炭。研究了氮添加量对制备的活性炭产率，孔结构和表面化学的影响。最后，评价了制备的活性炭对甲苯吸附行为。

　　活性炭掺氮的产量

　　活性炭的制作：植物原料在105℃下干燥8小时后，研磨并筛分至200目以下的粒度，然后通过粉碎机以1：1的重量比与每种含氮磷酸盐混合。混合物的热解在管中进行。炉子在氮气流动下，加热至目标温度并保持1小时。热解后，将得到的活性炭用活化液洗涤，然后用热蒸馏水彻底洗涤直至洗涤液的中性pH。干燥后最终可以获得所需的活性炭。

　　活性炭的产量：不同含氮磷酸盐和在不同温度下获得的制备活性炭的产率。原始材料中活性炭的产率在26.5-31.5范围内，随着热解温度的升高而略有下降。与原始擦亮相比，含氮磷酸盐处理的活性炭的产率明显更高，温度范围为500至800°C(超过45%)，表明添加含氮磷酸盐可有效提高活性炭的产量。然而，当热解温度升至900℃时，所有经含氮磷酸盐处理的活性炭的产率急剧下降并接近空白样品。

　　活性炭原材料和含氮磷酸盐之间可能的相互作用

　　活性炭制备过程中原材料与含氮磷酸盐之间可能存在的相互作用，可分为磷路线和氮路线两个方面，如图1所示。

　　图1：热解过程中活性炭原料和含氮磷酸盐之间可能的反应。

　　活性炭吸附甲苯的测试方法

　　通过固定床反应器系统估算制备的活性炭对甲苯吸附行为。使用两个N 2气体管线分别由两个质量流量计控制，其中一个通过纯甲苯溶液鼓泡以产生甲苯蒸汽，另一个管线用作平衡气体以保持入口甲苯浓度在600ppmv时，气体的总流速为400mL min-1。将制备的活性炭填充到玻璃制的固定床(内径：10mm)中，填料高度为20mm。将反应温度控制在30℃，并通过装有六通阀的分析仪每10分钟在线监测甲苯的出口含量。由穿透曲线的积分计算甲苯吸附容量。

　　活性炭吸附甲苯

　　活性炭对甲苯的穿透曲线以及吸附容量如图2所示。没掺氮的活性炭表现出较差的甲苯吸附性能，吸附容量分别为6.5和8.0mg g-1。与掺氮活性炭相比，添加含氮磷酸盐的活性炭需要更长的时间才能接近突破并表现出更高的吸附能力。对于在600℃下制备的活性炭，其经含氮磷酸盐处理的活性炭的突破时间为氨磷酸盐活性炭>磷酸脲活性炭>聚磷酸铵活性炭，其相应的体积吸附容量为144.0，104.0和89.8g L-1，质量吸附容量分别为296.4，175.9和245.8 mg g-1，分别。与600℃相比，900℃制备的活性炭具有更高的甲苯吸收量，体积吸附容量为122.5-164.5g L -1，质量吸附容量为364.1~496.2 mg g-1。值得注意的是，可以看出氨磷酸盐处理的活性炭具有较高的质量吸附能力，而磷酸脲处理的活性炭具有较高的体积吸附能力。这可能归因于它们不同的堆积密度，氨磷酸盐具有比磷酸脲更高的堆积密度。

　　图2：活性炭吸附甲苯的穿透曲线。

　　在含氮磷酸盐处理的活性炭的表面上存在一些含N的官能团，这些可能是对甲苯吸附能力的重要因素。一方面，由含氮磷酸盐产生的NH 3可以在热解过程中增强活性炭的疏水性，促进其对挥发性有机化合物的亲和力。另一方面，添加氮可以帮助增加活性炭表面上的碱性官能团如吡啶N和吡咯N的含量，这可以显着提高活性炭的碱度。由于供体-受体机制，活性炭碱度的增加可以增强甲苯的芳环π电子与碳的相互作用，从而导致更多的甲苯吸收。因此，与其他去除方法相比，活性炭吸附对甲苯的去除率极高，可有效减少反应器的体积，从而降低了占地面积。

　　结果表明，以不同的含氮磷酸盐为添加剂，成功制备了一种新型的氮掺杂活性炭。添加氮显然可以提高活性炭的产量。所有经含氮磷酸盐处理的活性炭都具有比未添加的活性炭拥有更好的孔结构，制备的活性炭具有理想的甲苯吸附性能，其主要原因是活性炭的丰富的多孔结构和N改性的表面化学。

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