摘要
活性炭作为传统的吸附材料，以比表面积大，吸附率高、再生能力强等诸多优势在VOCs的治理中得到广泛应用。木质素磺酸盐是造纸制浆过程的主要副产物，由苯丙烷型单元结构形成具有三维空间结构的网状高分子化合物，具有年产量巨大、成本廉价、来源广泛、富含碳元素等优点，是制备高比表面积活性炭的理想前躯体。然而木质素的天然大分子结构经历制浆过程的水解得到木质素磺酸盐，在采用磷酸活化木质素磺酸盐制备活性炭时，其制备条件和活化机理与以天然植物为碳源有较大差异，对其进行深入研究是获得高性能活性炭的前提。此外，利用木质素磺酸盐制备的活性炭为疏松的粉末，在使用过程容易流失。本文针对这些问题进行一系列的研究，具体内容和结论如下： 首先，以木质素磺酸钠（Na-Ls）为碳源，磷酸为活化剂，采用同步炭化和活化的方法制备高比表面积活性炭，系统研究了磷酸活化Na-Ls制备活性炭的制备条件和活化机理。通过考察磷酸浓度、活化温度和活化气氛对活性炭碘吸附值及得率的影响，优化制备条件。利用气体吸附仪和扫描电镜分析了活性炭的孔径分布和微观形貌。结果表明，活性炭制备的最佳条件为：34wt%磷酸溶液与Na-Ls的质量比0.5∶1，活化温度800℃，活化时间90min。该条件下制备的活性炭碘吸附值为1259.3mg/g，得率为8.3%，活化时引入氢源可减少碳的烧失，提高得率。活性炭孔结构呈裂隙状，主要为0.5nm的微孔和2.6nm的介孔，总孔容为1.7cm3/g，比表面积达到2066.2m2/g。为了初步阐明磷酸活化机理，通过扫描电镜观察、热重分析、X射线衍射和红外光谱分析等手段，对磷酸浸渍过程和热解过程等物质的变化和活性炭的成孔过程进行分析。结果显示，磷酸浸渍的Na-Ls在热分解过程涉及水解、交联、芳构化及氧化反应，磷酸的加入使Na-Ls热解过程发生了改变。磷酸浓度和活化温度是影响活性炭成孔及吸附性能的关键因素。 其次，为了解决粉末活性炭在使用过程中容易流失的问题，以凹凸棒为粘结剂，磷酸为活化剂，Na-Ls为原料，在研究活性炭制备的基础上，采用成型和活化一步法制备成型活性炭，并在活化过程中引入氢气以减少碳的烧蚀。以成型活性炭的碘吸附值与抗压强度为指标，探讨土料比、活化气氛、成型压力和成型时间对成型活性炭性能的影响。并通过扫描电镜观察、X射线衍射和红外光谱分析等手段，分析成型活性炭的微观形貌和孔径分布的变化以及成型活性炭具备抗压强度的原因。结果表明，制备成型活性炭的最佳条件为：土料比为1.5∶8.5，活化气氛为5%H2和100%N2，成型压力为100MPa，成型时间为3min。在此条件下得到的成型活性炭，抗压强度可达到13.8MPa，碘吸附值为386.6mg/g。其孔结构主要为0.5nm的微孔和3.7nm的介孔，总孔容为0.5cm3/g，比表面积为331.7m2/g。此外，成型活性炭具备抗压强度归因于凹凸棒与活性炭之间通过生成Si-O-C键交联以及Ca2Al2SiO6(OH)2晶体的形成。同时发现，引入氢源对成型活性炭的物相结构并未产生明显的影响。 最后，利用最佳制备条件下所得的活性炭和成型活性炭对甲苯进行静态和动态吸附，同时考察了甲苯初始浓度和载气流量对活性炭动态饱和吸附量的影响。另外，以甲苯的脱附率为指标，脱附温度和脱附时间为主要因素，优化脱附条件。在确定最佳脱附条件后，分别研究了活性炭进行静态和动态吸附的再生吸附能力。结果显示，活性炭和成型活性炭对甲苯的静态饱和吸附量为354.9mg/g和197.2mg/g，经过10次循环再生吸附后，活性炭和成型活性炭对甲苯的静态饱和吸附量均可达到首次吸附量的88%以上。活性炭的动态饱和吸附量随甲苯初始浓度和载气流量的变化而变化，甲苯的初始浓度为0.0121—0.0335mg/mL对应的饱和吸附量为308.9mg/g—348.9mg/g。载气流量为80—120mL/min对应的饱和吸附量为321.9mg/g—344.3mg/g。且活性炭再生3次后进行动态吸附，仍达到首次吸附量的86%。此外，活性炭和成型活性炭的最佳脱附条件为180℃和4h，脱附率分别为98.88%和98.73%。
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