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活性炭净化器的吸附性能及改性技术

2019-08-14 02:34:01

近年来,用活性炭去除烟气中NOx烦人技术引起了各国研究者广泛研究。活性具有特殊的物理结构,孔隙结构比其他吸附剂要丰富、比表面积也要大于其他吸附剂,使得活性具有的吸附容量和吸附性能。同时与其他吸附剂相比较活性炭表面的化学结构也很丰富,此结构可以促进活性炭的催化作用。正因为活性炭的这些物理以及化学结构的存在,使得活性炭可以做吸附剂吸附物质,活性炭自身也可以做催化剂,负载活性组分做催化剂载体催化反应也具有很高的活性,同时活性炭本身还是一种的还原剂。活性炭作吸附剂可以将NOx在烟气中吸附分离出来,也可以在一定条件下作还原剂将NOx还原成氮气。为此,许多人研究了有关活性炭在NOx去除领域的应用。

活性炭净化器所拥有的物理结构对活性炭吸附氧 化NO并没有很明确的关系。化学结构中的官能团对此过程起到很重要的作用,其中,碱性组分的增加有利于NO吸附于活性炭上,因为NO与NO2均为酸性气体,碱性组分可以为他们提供酸碱结合活性位点。低温时,物理结构中的比表面积和化学结构中的表面含氧官能团共同影响着NO的氧 化,活性炭受热后,表面上的化学结构遭受到破坏,分 解后的活性对NO的氧 化率有所提高。NO的低温吸附仅与活性物理性质有关,与活性炭化学结构无关,也即是说NOx在活性炭的吸附主要是物理作用,符合微孔填充理论。表示比表面积并不影响活性炭吸附氧 化NO。活性炭的表面含N元素对NO氧 化率有促进作用。活性炭表面具有较高的表面化学能,活性炭表面分子受力不均衡,再加上酸性氧 化物是极性分子,此类结构构成了热力学不稳定系统,根据热力学律可知,能量有趋于降低的趋势。NOx分子与活性炭上的高能位点发生碰撞,这些高能位点就会吸附NOx分子,降低表面自由能并释放出热量。这就是活性炭吸附NOx的热力学理论。

活性炭浸溃于金属离子溶液中,因为活性炭具有吸附性,金属离子可以吸附在活性炭上。又因为活性炭的还原性能,使得吸附在活性炭上的金属离子被活性炭还原成比之前价态低或者零价态物质,再通过高温锻烧作用将金属离子以不同形式与活性炭结合起来。钻催化剂在活性炭上主要以CO3O4形态存在,其次也会有一些CO单质的存在。由于此活性炭载体的分散度低,导致CO在反应过程中大量聚集进而形成CO晶粒。

活性炭是经过特殊工艺加工而成的无定形碳,具有高度发达的孔隙结构、巨大的比表面积、多变的表面化学特征以及较高的表面活性。据报道,世界活性炭年均消费量大约为275000t,多作为吸附剂应用于环境中污染物的去除。此外,活性炭可作为催化剂载体、电极材料,还可用于分离、浓缩和脱色等。

活性炭的吸附性能由其表面物理、化学性质圈共同决定。物理性质包括比表面积和孔隙结构,影响活性炭的吸附容量;化学性质,主要由表面官能团的种类和数量决定,影响活性炭与极性或非极性吸附质之间的相互作用。而活性炭的物理、化学性质与原材料、生产工艺(活化技术)、后处理技术(改性技术)等冈密切相关。商业活性炭即为一定生产原料经过特殊工艺加工而得的成品活性炭,其吸附性能势必受到原料和生产工艺的制约。然而目前水处理中污染物种类多、水质标准要求高,现有的商业活性炭在实际水处理的应用中具有一定的局限性。因此,活性炭改性技术应运而生。活性炭的改性技术即采用物理、化学或微生物的手段对活性炭进行处理,改变活性炭物理结构特性或表面化学特性,从而达到提高对特定物质吸附能力的目的。该研究即从化学改性、物理改性、微生物改性等方面综述了国内外活性炭的改性技术,以期为活性炭的改性研究提供参考。

1、活性炭的化学改性技术

活性炭作为一种有效的吸附剂,其表面物理、化学特性在吸附过程中发挥着重要的作用回。其中活性炭表面官能团,使活性炭具有一定的酸碱性和极性,很大程度上决定了活性炭吸附污染物的种类和吸附能力的强弱。因此,可通过改变这些官能团的含量,改变活性炭表面化学特性,继而改变活性炭对特定物质的选择性吸附能力回。活性炭的化学改性,即采用物理或者化学的手段处理活性炭,改变活性炭表面固有的官能团,制得具有特定吸附性能的吸附剂。常用的化学改性技术有酸改性、碱改性、负载改性、等离子体改性等。

酸改性后,活性炭表面含氧官能团的引入,可提高活性炭的亲水性、选择吸附性。其中引入的梭基在活性炭吸附金属离子的过程中发挥着重要作用,通过鳌合反应,梭基上的氢和金属离子进行离子交换作用,实现了活性炭对金属离子的吸附。

2、碱改性

活性炭的碱改性是指使用人氨(气态/液态)等碱性试剂,对活性炭进行改性处理,提高活性炭的还原能力和对有机物、酸性气体的吸附能力。气态氨环境下高温(400~800℃)改性后,活性炭对水溶液中苯酚的吸附能力提高了29%网。采用氧 化预处理、高温(800℃)氨改性的方式对活性炭进行改性,改性后活性炭微孔结构增加、表面酸性含氧官能团减少、活性炭表面碱性增强,对cO2的吸附能力提高囚。Vale-rie等采用高温(700℃)、人H3改性的方法对活性炭粉末进行处理,以提高其在微生物燃料电池中的氧 化还原特性。结果表明,改性后活性炭粉末在中性条件下的氧 化还原能力增强;表面含氧官能团的量减少了29%一58%,含氮量增加了1.8%,表面碱性增强。

与酸改性相反,活性炭经过碱改性后对金属离子的吸附能力减少。原因在于碱改性可减少活性炭表面酸性含氧官能团的量,减少了金属离子在活性炭表面的结合位点;同时含氮官能团的量增加、碱性增强,碱性环境下OH一与金属离子形成竞争机制,导致活性炭对金属离。

3、负载活性

炭对废水中苯酚和氰化物的去除,结果表明,负载处理后活性炭对苯酚的去除率从72.89%增加到91.82%,对氰化物的去除率从75.99%增加到95.57%,同时吸附平衡时间从33h减少到27h,吸附剂用量从30g/L减少到10g/L。等采用TBA和cu负载改性活性炭去除邻苯二甲酸酷,发现TBA和Cu负载活性炭对邻苯二甲酸酷的去除能力分别为改性前的1.7倍和2倍;采用Ag和Ni负载改性活性炭去除水溶液中的氰化物,发现负载改性后活性炭对氰化物的去除能力分别为改性前的2倍和4倍网;采用sDDc负载改性活性炭去除废水中Cu、Zn、Cr,发现改性后活性炭对Cu、Zn、Cr的去除能力分别为改性前的4倍、4倍、2倍。此外,阳离子表面活性剂改性活性炭对高氯酸盐的吸附性能。结果表明,经改性处理后活性炭对高氯酸盐的吸附能力提高为原来的3倍。


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