煤基活性炭的制备及其对挥发性有害气体吸附性能研究

赵 晶

(大同煤业金鼎活性炭有限公司，山西 大同 037000)

引 言

某些挥发性有机化合物(VOCs)对人体健康和环境危害巨大，它们会造成光化学烟雾和一系列有毒副产物的形成，从而导致臭氧层的破坏和全球变暖。近年来，我国法律法规已经明确限制了VOCs的排放，VOCs减排引起了越来越多的关注[1]。吸附是最广泛使用的VOC减排技术之一，在众多吸附材料中，多功能活性炭因其具有高表面积、多级孔结构和良好的化学性质稳定性成为了去除挥发性有机化合物非常有效的吸附剂[2]。目前，被用作活性炭前体的主要为煤炭，本文报道了以褐煤为原料采用两种不同的化学活化法来制备高比表面积活性炭，研究了两种活性炭的孔形态和比表面积，检测了两种方法制备的活性炭对甲苯的吸附性能，为拓宽煤炭在深加工领域的应用提供理论基础[3-5]。

1 实验部分

1.1 褐煤组分分析

将褐煤原料进行粉碎，使用40目(425 μm)分子筛筛选出颗粒尺寸40目以下的原煤粉末，得到粒径比较小的原料煤，便于元素分析测试，测试结果如表1所示。

表1 褐煤的元素分析

1.2 活性炭的制备

本文通过磷酸和氯化锌两种化学活化法制备出两种高比表面积活性炭：氯化锌-活性炭和磷酸-活性炭。

磷酸-活性炭：将预处理的褐煤粉末浸入20 mL的80%H3PO4溶液中12 h，随后，将固体过滤出来在120 ℃的烘箱中干燥12 h。将干燥好的样品放入管式炉于高纯氮气保护下，以10 ℃/min的加热速率升温到400 ℃，加热1 h。 反应结束后降温到室温，将活化的样品用蒸馏水反复洗涤，直至达到水溶液pH显中性。固体在120 ℃的烘箱中干燥12 h，得到了磷酸-活性炭。

氯化锌-活性炭：与上述方法类似，将预处理的褐煤粉末浸入20 mL 60% ZnCl2溶液中12 h，随后，将固体过滤出来在120 ℃的烘箱中干燥12 h。将干燥好的样品放入管式炉于高纯氮气保护下，以10 ℃/min的加热速率升温到600 ℃，加热1 h。反应结束后降温至室温，将活化的样品浸入50 mL的2 mol/L的盐酸中5 h，随后，样品用蒸馏水反复洗涤，直至达到水溶液pH显中性，固体在120 ℃的烘箱中干燥12 h，得到了氯化锌-活性炭。

1.3 磷酸-活性炭和氯化锌-活性炭苯酚吸附测试

磷酸-活性炭和氯化锌-活性炭的甲苯动态吸附测试在气体可以连续流动的反应器中进行。首先，取300 mg粉末于180 ℃真空下处理12 h，然后，转移到内径5 mm的U形玻璃管式反应器中(堆积长度约8 cm)，将其置于25 ℃的恒温水浴中，将甲苯蒸气(质量分数1 000×10-6)以100 mL/min和150 mL/min的速度通过反应器。为了评估在潮湿条件下(相对湿度为80%)的动态吸附性能，使用微注射泵将液态水注入预热的空气流中来产生水蒸气。

2 结果与讨论

2.1 孔结构表征

图1显示了活性炭的氮吸附-解吸曲线，从图1看出，氯化锌-活性炭样品的吸附等温线遵循I型等温线的趋势，在较低的相对压力下吸收大量的氮，表明它具有大量的微孔。磷酸-活性炭在0.35～0.95的相对压力下表现出额外的磁滞回线，表明其具有大量的介孔。表2展示了2个样品的孔结构参数，发现，磷酸-活性炭具有比氯化锌-活性炭高的BET比表面积，这主要是由于介孔的存在造成的。由于活化化学物质的作用是造孔隙的模板，我们分析造成两种活性炭孔结构不同的原因是磷酸和氯化锌的不同化学性质，氯化锌或其水合物的化学性质稳定，容易造成小且尺寸均匀的孔隙，而磷酸在水溶液中能够形成H4P2O5、H13P11O34等各种不同分子大小的多磷酸分子及其混合物，容易造成多级尺寸的孔隙。

图1 磷酸-活性炭和氯化锌-活性炭的氮吸附/解吸等温线

表2 磷酸-活性炭和氯化锌-活性炭样品的孔结构参数

2.2 甲苯吸附实验

磷酸-活性炭和氯化锌-活性炭的甲苯动态吸附实验分别在干燥和潮湿(相对湿度80%，25 ℃)条件下测试。表3列出了干燥和潮湿条件下甲苯的动态吸附速率以及吸附效率，磷酸-活性炭和氯化锌-活性炭在空气流量为100 mL/min时吸附容量为320 mg/g和214 mg/g，空气流量为150 mL/min时吸附容量为327 mg/g和224 mg/g，说明流速对吸附能力没有显著影响。在相同速下，磷酸-活性炭比氯化锌-活性炭具有更高的动态甲苯吸附能力，这可能是由于前者具有较高的比表面积。在潮湿条件下(流速为150 mL/min)，甲苯和水的吸附具有竞争性，氯化锌-活性炭比磷酸-活性炭具有更高的动态甲苯吸附能力，是因为磷酸-活性炭表面更亲水，导致水和甲苯分子之间吸附位点发生竞争，另外，水蒸气在亲水材料介孔中的毛细作用会导致扩散传质的减少。所以，氯化锌-活性炭适用于潮湿条件下甲苯吸附，磷酸-活性炭适用于干燥条件下甲苯吸附。

表3 磷酸-活性炭和氯化锌-活性炭在干燥和潮湿条件下对甲苯的动态吸附能力测试结果

3 结语

本研究以褐煤为原料，通过磷酸和氯化锌两种化学活化法制备出两种高比表面积活性炭。对其吸附空气中挥发性有害气体甲苯能力进行测试，证明两种活性炭都具有很好的甲苯吸附能力，氯化锌-活性炭适用于潮湿条件下甲苯吸附，磷酸-活性炭适用于干燥条件下甲苯吸附。这两种活性炭分别适合不同的空气状态，具有很好的应用前景，为褐煤的深加工利用提供了一定的实验基础。