（环境科学专业论文）改性ACF的制备及性能和对空气中SOlt2gt吸附的研究.pdf

大连交通人学工学硕+ 学 ! 7 ：论文 改性a c f 吸附空气中的s 0 2 的结果表明：吸附温度为6 0 ，空气流速分别为 q i = o 3 l m i n ，q 2 - - o 4 l - m i n 。1 时，吸附剂a c f m n c u 5 0 的吸附效果要略好于吸附剂 a c f m n ，二次改性活化提高了a c f 的吸附性能；吸附质空气中s 0 2 的浓度越高，脱硫 率越高。最佳的吸附条件为：吸附柱长度2 0 m m ，吸附时间3 h 。通过对改性a c f 吸附 空气中的s 0 2 的动力学分析得出，改性a c f 吸附空气中的s 0 2 的动力学过程更好地符 合二级吸附动力学方程。 关键词：活性炭纤维；制备；改性；吸附 l l 摘要 a b s t r a c t t h es t u d yo np r e p a r a t i o na n da p p l i c a t i o no fa c ff o rt h ep r o b l e mo fe n v i r o n m e n t a l c o n t a m i n a t i o ns 0 2i nt h ea t m o s p h e r eo nt h ep e r f o r m a n c eo fc a t a l y s tp o i s o n i n go fp r o t o n e x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l s ( p e m f c s ) t oi m p r o v et h ea d s o r p t i o np r o p e r t i e so fa c f , r e a c t i v a t i o na n dr e m o d i f i c a t i o nw e r ec a r r i e do u t t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e ns t r u c t u r e sa n d a d s o r p t i o np r o p e r t i e sw e r ei n v e s t i g a t e db ye v a l u a t i o no fa d s o r p t i o np r o p e r t i e s t h e s eb a s a l d a t aw e r ev e r yu s e f u lf o rh o wt oe n h a n c et h ea d s o r p t i o np r o p e r t i e so fa c fa n ds o l v ec a t a l y s t p o i s o n i n go fp r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l sb yt h er e s e a r c ho fs 0 2a d s o r p t e do na c f m o d i f i e da c fw a sp r e p a r e df r o mb l e n d i n gm e t h o dc o m b i n e dw i t ha c t i v a t i o nm e t h o d u n d e rh i g ht e m p e r a t u r ew i t hn a 2 c 0 3 、k i 、c u 抖、m n 抖f o u rk i n d sm o d i f i e r s t h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tf a c t o r so nt h er e a c t i o nw e r es t u d i e d ，c o m p a r i s o no fa d s o r p t i o np r o p e r t i e sw a s p r e f o r m e dt oc o n f i r mt h eo p t i m a lc o n d i t i o n so fp r e p a r a t i o n t h eo p t i m u mp r e p a r a t i o n c o n d i t i o n so fn a 2 c 0 3m o d i f i e rw e r ea sf o l l o w s ：u n d e r7 0 0 p r o t e c t i o nb yn 2 ， c o n c e n t r a t i o no fm o d i f i e r1 5 ，a c t i v a t i o nt i m e4 0 m i n ，u n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n s ，t h e i o d i n en u m b e rw a s1 1 4 4 9 1 m g 。9 1 ，t h eb a s i cg r o u p sc o n t e n t w a s7 6 3 4 m m o l 。g - 1 ，a n dt h ey i e l d w a s9 0 5 1 ：t h eo p t i m u mp r e p a r a t i o nc o n d i t i o n so fk im o d i f i e rw e r ea sf o l l o w s ：u n d e r7 0 0 p r o t e c t i o nb yn 2 ，c o n c e n t r a t i o no fm o d i f i e r2 ，a c t i v a t i o nt i m e6 0 m i n ，u n d e rt h e o p t i m u mc o n d i t i o n s ，t h ei o d i n en u m b e rw a s11 6 7 2 9 m g 。g - 1 ，t h eb a s i cg r o u p sc o n t e n tw a s 6 1 1 4 m m o l 。g - 1 ，a n dt h ey i e l dw a s9 0 4 ；t h eo p t i m u mp r e p a r a t i o nc o n d i t i o n s o fc u 什 m o d i f i e rw e r ea sf o l l o w s ：u n d e r7 0 0 p r o t e c t i o nb yn 2 ，c o n c e n t r a t i o no fm o d i f i e r s1 5 ， a c t i v a t i o nt i m e4 0 m i n ，u n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n s ，t h ei o d i n en u m b e rw a s1 1 8 5 2 m g 。g - 1 ， t h eb a s i cg r o u p sc o n t e n tw a s3 9 5 7 m m o l 。9 1 ，a n dt h ey i e l dw a s9 3 8 1 ；t h eo p t i m u m p r e p a r a t i o nc o n d i t i o n so fm n nm o d i f i e rw e r ea sf o l l o w s ：u n d e r7 0 0 cp r o t e c t i o nb yn 2 ， c o n c e n t r a t i o no fm o d i f i e r2 ，a c t i v a t i o nt i m e8 0 m i n ，u n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n s ，t h e i o d i n en u m b e rw a s9 6 5 8 4 m g g - 1 ，t h eb a s i cg r o u p sc o n t e n tw a s8 2 9 9 m m o l 昏1 ，a n dt h ey i e l d w a s8 9 7 4 x r d ，s e m ，e d si n d i c a t e dt h a tm o d i f i e da c fw a st u r b o s t r a t i cg r a p h i t e l i k ec r y s t a l l i k e s t r u c t u r e ，m o d i f i e r sw e r ew e l ld i s t r i b u t e d ，q u a n t i t yo fm i c r o p o r o u sa n ds p e c i f i cs u r f a c ea r e a w a si n c r e a s e d n aw e i g h tp e r c e n to fa c f - n aw a s5 2 1 ，a t o m i cp e r c e n tw a s2 9 7 ；k w e i g h tp e r c e n to fa c f - iw a s1 7 9 2 ，a t o m i cp e r c e n tw a s3 1 0 3 ，1w e i g h tp e r c e n to f a c f 1w a s6 5 1 1 ，a t o m i cp e r c e n tw a s3 4 7 3 ，c uw e i g h tp e r c e n to fa c f - c uw a s 1 8 8 6 ，a t o m i cp e r c e n tw a s4 8 ；m nw e i g h tp e r c e n to fa c f m nw a s2 2 6 ，a t o m i c p e r c e n tw a s 0 2 8 i i i 大连交通人学：i ：学硕士学位论文 a c f - m nr e a c t i v a t e db yc u 2 + m o d i f i e rh a db e t t e ra d s o r p t i o np r o p e r t i e s ，t h eo p t i m u m p r e p a r a t i o nc o n d i t i o n sw e r ea sf o l l o w s ：u n d e r7 0 0 p r o t e c t i o nb yn 2 ，c o n c e n t r a t i o no f m o d i f i e r s1 0 ，a c t i v a t i o nt i m e5 0 m i n ，u n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n s ，i o d i n en u m b e rw a s 1 6 0 5 3 6 m g 9 1 ，b a s i cg r o u p sc o n t e n tw a s11 9 8 6 m m o l g - 1 x r d ，s e m ，e d si n d i c a t e dt h a t t h ep a r t i c l es i z eo fc uc r y s t a lf r o ma c f - m n - c u s oi st h eb i g g e s t ，t h eo r d e r i n gd e g r e ea n d g r a p h i t i z a t i o nd e g r e ew e r eb o t hi n c r e a s e d c uw e i g h tp e r c e n to fa c f - m n c u s 0w a s2 4 3 6 ， a t o m i cp e r c e n tw a s6 3 2 ；m nw e i g h tp e r c e n to fi tw a s0 8 4 ，a t o m i cp e r c e n tw a s0 2 5 t h er e s e a r c ho fs 0 2a d s o r p t e do na c fi n d i c a t e dt h a ta d s o r b e n ta c f - m n c u s oh a da b e t t e ra d s o r p t i o ne f f e c tt h a na c f - m n ，a d s o r p t i o np r o p e r t i e sw e r ei n c r e a s e db yr e a c t i v a t i o n a n dr e m o d i f i c a t i o n t h eh i g h e rc o n c e n t r a t i o no fs 0 2i nt h ea t m o s p h e r e ，t h ed e s u l p h u r i z a t i o n e f f e c ti sb e t t e r t h e o p t i m u ma d s o r p t i o nc o n d i t i o n s w e r et h a t ，u n d e rt h e a d s o r p t i o n t e m p e r a t u r e6 0 c ，t h er a t eo f a t m o s p h e r e0 1w a s0 3 l m i n ，q 2 w a s0 4 l m i n r e s p e c t i v e l y ， t h eh e i g h to fa d s o r p t i o nc o l u m a ! ；w a s2 0 r n m ；t h ea d s o r p t i o nt i m ew a s3 h t h ed y n a m i c a n a l y s i so fs 0 2a d s o r p t e do na c fc o n c l u d e dt h a td y n a m i cp r o c e s so fs 0 2a d s o r p t e do n m o d i f i e da c fc o i n c i d e n c e dt h es e c o h d - d a t e r ：a d s o r a t i o nr a t ec o n s t a n t sb e t t e r k e yw o r d s ：a c t i v ec a r b o nf r e e r ( a c t 3 ；p r e p a r a t i o n ：m o d i f i c a t i o n ：a d s o r p t i o n i v 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太董塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蓬交通太堂一可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：弓梭品导师签 日期： 洳口7 年 月 ，日 日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 电话： 邮编： 日 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 t 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：弓茛品 嗍：堋胪朋“日 绪论 绪论 活性炭纤维( a c f ) 作为碳质吸附剂的一种，是2 0 世纪7 0 年代发展起来的吸附性 能较为优越的吸附剂，它具有比表面积大、微孔含量丰富、孔径分布窄等诸多优异的性 能特征，相对于其他活性炭材料具有更加优良的吸附性能，广泛应用于环境、化工、电 化学、卫生、食品等领域中，随着a c f 应用范围的不断扩大，对a c f 吸附作用的研究 越来越受到人们的关注。 质子交换膜燃料电池( p e m f c s ) 一般以碳负载p t 为电催化剂，氢或净化重整气为 燃料，纯氧或空气为氧化剂，是燃料电池电动汽车的首选技术，考虑到经济和成本等问 题，一般选用空气为氧化剂。当今社会环境污染越来越严重，空气中s 0 2 的含量也随之 升高。随着p e m f c s 的应用和发展，它的持久力和可靠性面临一个很大的挑战，而环境 对电池的耐久力的影响主要来自于大气中的污染物，由于p e m f c s 中p t 催化剂与空气 中的s 0 2 有非常强烈的化学作用，s 0 2 等在p t 表面吸附占据p t 催化剂的活性位，对p t 催化剂有非常明显的毒化作用，造成电池性能严重下降。所以解决燃料电池催化剂中毒 问题，提高燃料电池活性，延长寿命，增强其在环境中的耐久力具有重要意义。而a c f 具有微孔分布均匀，透气性良好，可制成任意形状的制品，并且具有对低浓度吸附质吸 附能力特别优良等特点，对解决p e m f c s 的催化剂中毒问题具有独特的优势。 a c f 对吸附质分子的吸附性能不仅取决于自身孔结构，而且还取决于其表面化学性 质。为了提高a c f 对污染物分子的吸附性能，对a c f 进行物理或化学修饰是改变其表 面化学性质和孔结构的主要手段【1 1 。由于s 0 2 属于酸性气体，所以增加a c f 表面碱性官 能团含量和比表面积是增强a c f 对空气中s 0 2 吸附性能的一种有效途径。 本文选用了n a 2 c 0 3 ，c u “，m n 2 + 四种不同改性剂采用共混法和高温活化相结合 的方法制备改性a c f ，考察了不同种改性剂改性a c f 制备过程中改性剂浓度、活化时间 的影响，优化了改性a c f $ 1 j 备工艺条件。在此基础上又制备了二次改性活化a c f ，考察 了二次改性活化过程中改性剂种类、改性剂浓度和活化时间的影响，通过比较改性a c f 的得率、碘值、碱性官能团含量等吸附性能，优选出最佳的改性活化条件。选用最佳吸 附性能的改性a c f 在燃料电池的实际操作条件下进行s 0 2 的吸附实验，确定最佳的吸附 条件。并结合现代分析手段对改性a c f 的结构性能进行了表征分析。 大连交通大学t 学硕十学位论文 第一章文献综述 1 1 活性炭的定义及性质 活性炭( a c ) 是一种具有丰富的内部孔隙结构，巨大比表面积和优良吸附性能的碳 质吸附材料。它具有吸附容量大、吸附速率快、化学稳定性好，能有效地吸附多种气体， 且可方便再生等优点，并因其优异的吸附性能而广泛应用于环境、化工、电化学、卫生、 食品等领域中。随着活性炭应用范围的不断扩大，对活性炭吸附作用的研究越来越受到 人们的关注。 活性炭具有的吸附性能主要取决于其多孔结构，活性炭具有各种空隙，依据不同尺 寸空隙中分子吸附的不同，将孔分为三类( i u p a c l 9 7 2 ) ：孔径 5 0 n m 的为大孔；2 n m b ，即改性剂种类 活化时间 改性剂浓度，其中改性剂种类和活化时间两个 因素对a c f 碘值的影响比较明显，并且可以得出a c f m n m 的最优活化条件为a 3 8 2 c 1 ， 即选用改性剂1 0 的c u 2 + 溶液对其进行浸渍，在7 0 0 的n 2 下对其进行高温活化4 0 r a i n ， 制备的a c f m n c u 的碘值最高。 ( 3 ) 碱性官能团含量的极差分析 根据表4 4 有关数据以碱性官能团含量为指标进行极差分析，分析结果见表4 4 、 图4 3 。 表4 4 以碱性官能团含量为指标的极差分析表 t a b l e4 4t h er e s u l t sa n a l y s i so fv a r i a n c ea c c o r d i n gt oe s t e r f f i c a t i o ny i e l d abc ij2 8 4 9 12 8 5 4 53 2 1 9 0 i i i 2 8 0 0 83 0 8 7 02 7 5 9 1 i i i i 3 1 3 7 12 8 5 2 72 8 1 6 1 9 4 9 79 5 1 51 0 7 3 0 k 1 第四章二次改性活化a c f 的制备和吸附性能研究 9 3 6 0 1 0 2 9 09 1 9 7 k 2 1 0 4 5 7 9 5 0 9 9 3 8 7 k 3 极差r i 1 0 9 77 8 01 5 3 3 图4 3 极差分析图 f i g 4 3e x t r e m ed i f f e r e n c ea n a l y s i s 由表4 4 和图4 3 可知，影响改性a c f m n m 反应活性的各因素的影响程度依次 为：c a b ，即活化时间 改性剂种类 改性剂浓度，其中活化时间和改性剂种类两个 因素对a c f 碘值的影响比较明显。 由以上的极差分析结果可以看出，影响a c f m n m 碘值和碱性官能团含量的主要因 素顺序不尽相同，对于a c f m n m 碘值，改性剂的种类对其影响最大，而对于a c f 的 碱性官能团含量，活化时间对其的影响大于改性剂的种类，但改性剂浓度的影响都是最 小的，由图可以看出对于这两种吸附性能的考察a c f m n c u 的最优活化条件都为 a 3 8 2 c 1 ，即选用改性剂1 0 的c u 2 + 溶液对其进行浸渍，在7 0 0 的n 2 下对其进行高温 活化4 0 m i n 。 4 9 大连交通大学1 ：学硕士学位论文 4 3 活化条件对a c f m n m 吸附性能的影响 为了进一步考察、优化改性a c f m n m 的活化条件，分别用碘值和碱性官能团的 含量来考察影响其吸附性能的两个主要因素一改性剂种类和活化时间。 改性a c f m n m 制备条件的考察方法是使a c f m n 在浓度为1 0 的n a 2 c 0 3 ，k i ， c u 2 + 溶液中浸渍，然后在7 0 0 的n 2 保护下对其分别高温活化2 0 m i n ，3 0 m i n ，4 0 m i n ， 5 0 r a i n ，6 0 m i n ，考察改性剂种类和活化时间对其吸附性能的影响。 4 3 1 改性剂种类和活化时间对a c f m n m 碘值的影响 分别以浓度为1 0 的n a 2 c 0 3 ，k i ，c u 2 + 溶液浸渍a c f m n l 2 h ，然后于7 0 0 。c n 2 保 护下高温活化，所制得的改性a c f m n m 对碘值的影响规律如图4 4 所示。 一 l a 0 日 ￥ 趔 餐 活化时间m i n 4 4 活化时间对a c f - m n m 碘值的影响 f i g 4 4e f f e c to fa c t i v a t i o nt i m eo nt h ei o d i n en u m b e ro fa c f - m n - m 由图4 4 可以看出，c u 2 + 改性剂活化下的a c f m n m 的碘值明显高于l ( i ，c u 2 + 两 种改性剂活化的a c f m n m ，并且可以看出在活化时间为5 0 m i n 时，其碘值达到最高， 活化效果最好，此时碘值为1 6 0 5 3 6 m g g ，可见1 0 的c u 2 + 改性剂在活化时间为5 0 m i n 时，在7 0 0 的n 2 保护下，比表面积达到最大，碘值达到最高。 4 3 2 改性剂种类和活化时间对a c f m n m 碱性官能团含量的影响 分别以浓度为1 0 的n a 2 c 0 3 ，k i ，c u 2 + 溶液浸渍a c f m n ，再于7 0 0 下高温活化， 所制得的改性a c f m n m 对碱性官能团含量的影响规律如图4 5 所示。 5 0 第四章二次改性活化a c f 的制备和吸附性能研究 o 昌 童 删 钿 困 口口 血 扯 趟 髻 活化时间r n i n 4 5 活化时间对a c f m n m 碱性官能团含量的影响 f i g 4 5e f f e c to f a c t i v a t i o nt i m eo nt h eb a s i cg r o u p sc o n t e n to fa c f - m n m 由图4 5 可以看出，c u 2 + 改性剂改性活化制备的a c f m n c u 的碱性官能团含量明 显高于k i 。c u 2 * 两种改性剂改性活化的a c f ，并且可以看出在活化时间为5 0 m i n 时， 其碱性官能团含量达到最高，达到1 1 9 8 6 m m o l g - 1 ，可见1 0 的c u 2 + 改性剂在活化时间 为5 0 m i n 时，在7 0 0 的n 2 保护下，生成的碱性官能团最多，使其碱性官能团含量最大， 有利于对酸性气体的吸附。通过图4 4 ，4 5 都可以看出1 0 的c u 2 + 改性剂在7 0 0 的 n 2 保护下，活化5 0 m i n 时的碘值和碱性官能团含量都达到了最大，可见二次改性活化的 a c f - m n c u 的最佳活化条件为：改性剂种类为c u 2 + 溶液，改性剂浓度为1 0 ，活化时 间为5 0 m i n ，此时碘值为1 6 0 5 3 6 m g 岔1 ，碱性官能团含量为1 1 9 8 6 m m o l g - 1 。 4 4 物相分析( x i ) x r d 谱图中的衍射强度、面间距、晶胞参数及衍射峰的变化，都可以反映改性a c f 的物相结构特征。 5 1 人连交通人学i 学硕十学位论文 6 。0 0 5 0 0 0 筮d 。0 0 宅 鬈一 2 0 0 0 i 0 0 0 0 加 2 03 0 2 钐。卯 6 07 08 0 酗46 不同温度话化处理后a c f - m n - c u 试样的x r d 斟谱 f i g 46x r dp a t t e r n so f a c f - m n - c ua c t i v e d w i t hd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e 由图中可以看出，a c f - m n c u 3 0 、a c f - m n c u 4 0 、a c f - m n - c u 5 0 、a c f - m n c u 6 0 都 在2 0 = 4 3 9 ，5 0 0 ，7 4 埘出现了尖锐的衍射峰，分析得知此衍射峰为铜晶体衍射峰。并且 可以看出随着活化时间的延长，铜晶体衍射峰变得越来越尖锐，说明铜晶体的粒径也越 来越大，当活化时问达到6 0 r a i n 时，铜晶体峰尖锐程度又减小，说明铜晶体粒径又减小 了。证明了适当的活化时间可以使杂原子与碳之问的键发生断裂，形成更大的晶片，其 基本微晶中，层与层之间的间距减小，微晶长度增大，无序化程度减弱，有序化程度提 高，这也就从某种意义上说，其石墨化程度提高t t 8 9 1 。由图可以看出经过活化改性处理 后的碳0 0 2 面峰减弱，这可能足由于铜晶体插入到不规整的炭层中，在材料内部与碳反 应，生成发达的孔隙结构，由此造成石墨层结构的破坏和峰的减弱i 刈。 4 5 最佳改性条件下a c f m n c u 5 0 的s e m 、e d s 分析 蚕一遵蓼 第四章二次改性活化a c f 的制备和吸附性能研究 c ) a c f m a - c i | ( 5 0 0 x )d ) a c f m 2 a o _ ( 5 0 0 ) ( e ) a c fm n - c u ( 5 x ) 图47 a c f - m n - c u 的s e m 照片 f i g47s e m o f a c f - m n - c “m 从图4 7 中可以看出改性活化处理前后的a c f 都是由大量纤维杂乱无序地交织在 一起，并形成了深浅不一的沟槽和不连续的空隙，改性活化处理前后a c f - m n c u s o 表面 明显租糙，并有一层颗粒状物质附着在其表面，这是由于浸渍的c i l 晶体刻蚀a c f 的表 面并且部分附着在a c f 的表面，与x r d 的分析结果一致。 图48 为最佳改性条件下a c f - m n c u s o 试样镀金后的e d s 能谱图，由图得到样品 中各元索的含量，其中c u 在a c f - m n - c u 5 0 中的质量百分比为2 4 3 6 ，原子百分比为 6 3 2 ，m n 在a c f m n c u s o 中的质量百分比为0 8 4 ，原子百分比为02 5 。 大连交通大学t 学硕十学位论文 本章小结 ，k k 舢 l 。i i 。i 。l 。i l 。l l l24681 01 2i 1 6 ：v l , s c a l e 2 7 3 0 c t sc u r s o r 1 8 1 9 3 l c e v ( 6 a s l刚 ( 1 ) 通过正交实验优化了二次改性活化a c f 的制备工艺条件，结果表明，改性剂种类 和活化时间两个因素对其碘值和碱性官能团含量的影响较为明显，1 0 的c u 2 + 改 性剂对a c f m n 进行改性处理，在7 0 0 的n 2 下高温活化4 0 m i n ，制备的 a c f - m n c u 5 0 吸附性能最好。 ( 2 ) 通过单因素实验进一步优化改性活化条件，经过c u 2 + 改性剂改性活化处理的a c f 的吸附性能明显高于其余两种改性剂改性活化处理的a c f ，对于c u 2 + 改性剂改性 活化处理的a c f m n c u 5 0 的最佳活化条件为：改性剂浓度为1 0 ，活化时间为 5 0 m i n ，此时碘值为1 6 0 5 3 6 m g g - 1 ，碱性官能团含量为1 1 9 8 6 m o l g - 1 。 ( 3 ) 对a c f m n c u 5 0 的x r d 、s e m 和e d s 分析可知，通过改性活化得到的铜晶体， 在活化时间为5 0 m i n 时，铜晶体衍射峰最尖锐，说明铜晶体的粒径最大，有序化 程度和石墨化程度都有所提高，其中c u 在a c f - m n c u 5 0 中的质量百分比为 2 4 3 6 ，原子百分比为6 3 2 ，m n 在a c f - m n c u 5 0 中的质量百分比为0 8 4 ， 原子百分比为0 2 5 。 第五章改性a c f 对空气中s o ：的吸附研究 第五章改性a c f 对空气中s 0 2 的吸附研究 随着质子交换膜燃料电池的应用和发展，它的持久力和可靠性面临一个很大的挑 战，而环境对电池的耐久力的影响来自于大气中的污染物，消除空气中的污染物对燃料 电池的影响可以提高燃料电池系统在环境中的适应力【9 1 1 。而低浓度的二氧化硫的脱除十 分困难，近年来，有研究者发现经过一定的改性活化处理的活性炭可以吸附脱除气体中 的低浓度s 0 2 【眩9 4 1 ，它具有成本低、操作简便、脱硫效率高等特点，是一种非常有潜力 的脱硫方法。而a c f 以其优良的吸附性能，具有解决质子交换膜燃料电池的催化剂中毒 问题独特的优势。 本实验采用甲醛吸收镉玫瑰苯胺分光光度法测量试验中s 0 2 的含量。通过前两章的 实验分析，制备了两种最佳改性吸附剂a c f m n 和a c f m n c u 5 0 ，根据质子交换膜燃料 电池的操作条件，确定了吸附质空气的流量和吸附温度，考察吸附质浓度、吸附柱长度 和吸附时间对脱硫效率的影响，比较两种吸附剂的吸附效果，优选出最佳的吸附剂和最 佳的吸附条件。 5 1 标准曲线的绘制 采用甲醛吸收副玫瑰苯胺分光光度法测量实验中吸附质s 0 2 的含量，首先绘制s 0 2 的标准曲线，得到s 0 2 与吸光度关系的回归线方程，实验中的s 0 2 试样通过回归方程计 算得出。 配置浓度为o 5 1 , g n i l ，l a g m l ，2 a g m l ，5 z g m l ，8 a g m l j ，1 0 9 9 m l 。1 的s 0 2 标准溶液，按照甲醛吸收副玫瑰苯胺分光光度法测定其吸光度，以s 0 2 浓度为横坐标， 吸光度为纵坐标，绘制标准曲线如图5 1 。 5 5 人连交通大学下学硕十学位论文 图5 1s 0 2 标准曲线 f i g 5 1s t a n d a r dc u r v eo fs 0 2 由图5 1 得出其标准曲线的回归方程为y - 0 0 1 2 3 x + 0 0 0 3 8 ，r 2 = 0 9 9 3 5 ，r 2 越大， 标准曲线线性关系越好，可见，本试验的s 0 2 标准曲线的线性关系较好。本实验选取两 种吸附质，分别为实验室室内空气和马路边空气，通过此标准曲线测定吸附质空气中 s 0 2 的含量分别为0 6 2 1 0 g m l d 和0 7 8 x 1 0 4 1 z g m l 一。 5 2a c f m n 对空气中s 0 2 的吸附工艺条件的确定 由于本研究是基于燃料电池的应用，p e m f c s 的使用条件为：通入的空气流速为 0 3 加4 l m i n 一，空气温度为6 0 ，本实验以燃料电池的操作条件为基础，考察吸附剂用 量，吸附时间对吸附效果的影响。 5 2 1a c f m n 吸附柱高度对吸附s 0 2 的影响 在最佳改性条件下制备吸附剂a c f m n ，使用空气压缩机抽取空气进入吸附装置， 吸附温度为6 0 c ，吸附时间为3 h ，考察空气流速分别为q 1 = o 3 l - m i n ，q 2 = 0 4 l m i n 1 ， 吸附质空气中s 0 2 的浓度分别为c 1 = 0 6 2 x 1 0 。4 z g m l 一，c 2 = 0 7 8 x 1 0 4 z g m r l 时，吸附柱高 度对脱硫率的影响，结果如图5 2 。 第五章改性a c f 对空气中s 0 2 的吸附研究 吸附柱高度m m 图5 2a c f - m n 吸附柱高度对脱硫率的影响 f i g 5 2e f f e c to ft h ea d s o r p t i o nc o l u m nh e i g h to nt h ep e r f o r m a c eo fd e s u l f u r i z a t i o no fa c f - m n 由图5 2 可以看出，空气流速为q 1 = 0 3 l - m i n 一，空气中s 0 2 的浓度为 c 2 - - 0 7 8 1 0 g m l d 时a c f m n 的脱硫率明显高于其他吸附条件下a c f o m n 的脱硫率， 并且可以看出空气中的s 0 2 的浓度越高越有助于a c f m n 对s 0 2 的吸附，通入空气流速 越小其脱硫效率越高。随着吸附柱高度的增加，脱硫率明显升高，但当吸附柱高度达到 2 0 m m 时，脱硫率增加明显变缓，趋近于水平。可见，最佳的吸附柱高度为2 0 m m 。 5 2 2 吸附时间对a c f o m n 吸附s 0 2 的影响 在最佳活化条件下制备吸附剂a c f m n ，使用空气压缩机抽取空气进入吸附装置， 吸附温度为6 0 ，吸附柱高度为2 0 r a m ，考察空气流速分别为q 1 = 0 3 l m i n ， q 2 = 0 4 l - m i n ，吸附质空气中s 0 2 的浓度分别为c l = o 6 2 x 1 0 4 g m l ， c 2 = 0 7 8 x 1 0 4 j u g m l 一，吸附时间对脱硫率的影响，结果如图5 3 。 5 7 大连交通人学。r 学硕+ 学位论文 吸附时间伪 图5 3 吸附时间对脱硫率的影响 f i g 5 3e f f e c to ft h ea d s o r p t i o nt i m eo nt h ep e r f o r m a c eo fd e s u l f u r i z a t i o no fa c f - m n 由图5 3 可以看出，空气流速为q 1 = o 3 l - r a i n ，空气中s 0 2 的浓度为 c 2 = 0 7 8 x 1 0 - 4 g m l d 时，a c f m n 的脱硫率高于其他吸附条件下改性a c f 的脱硫率，空 气中的s 0 2 的浓度越高，空气流速越小越有助于改性a c f 对s 0 2 的吸附，脱硫效率越 高。随着吸附时间的增加，脱硫率明显降低，但当吸附时间为3 h 时，脱硫率增加明显 变缓，并逐渐趋近于水平。可见，最佳的吸附时间为3 h 。 5 3a c f m n c u 5 0 对空气中s 0 2 的吸附工艺条件的确定 5 3 1a c f m n c u 5 0 吸附柱高度对吸附s 0 2 的影响 在最佳活化条件下制备吸附剂a c f o m n c u 5 0 ，使用空气压缩机抽取空气进入吸附装 置，吸附温度为6 0 * ( 3 ，吸附时间为3 h ，考察空气流速分别为q 1 = o 3 l m i n 一， q 2 = o 4 l m i n ，吸附质空气中s 0 2 的浓度分别为c l = o 6 2 x l o _ u g m l ， c 2 = 0 7 8 x 1 0 4 z g m l 一，吸附柱高度对脱硫率的影响，结果如图5 4 。 第五章改性a c f 对空气中s 0 2 的吸附研究 承 槲 馐 玺 吸附柱高度m m 图5 4a c f - m n c u 5 0 吸附柱高度对脱硫率的影响 f i g 5 4e f f e c to ft h ea d s o r p t i o nc o l u m nh e i g h to nt h ep e r f o r m a c eo fd e s u l f u r i z a t i o no fa c f - m n - c u 5 0 由图5 4 可以看出，空气流速为q 1 = 0 3 l - m i n 一，空气中s 0 2 的浓度为 c 2 = 0 7 8 x 1 0 4 p g m l d 时a c f - m n c u 5 0 的脱硫率最高，并且可以看出空气中的s 0 2 的浓度 越高越有助于改性a c f 对s 0 2 的吸附，通入空气流速越小其脱硫效率越高。随着吸附 柱高度的增加，脱硫率明显升高，但当吸附柱高度达到2 0 r a m 时，脱硫率增加明显变缓， 趋近于水平。可见，最佳的吸附柱高度为2 0 m m 。通过比较图5 2 与图5 4 可以看出， a c f m n c u 5 0 吸附剂的脱硫率略高于a c f m n 吸附剂，并且两种吸附剂的最佳吸附柱高 度都为2 0 m m 。 一 。 5 3 2 吸附时间对a c f m n c u s o 吸附s 0 2 的影响 在最佳活化条件下制备吸附剂a c f m n c u 5 0 ，使用空气压缩机抽取空气进入吸附装 置，吸附温度为6 0 c ，吸附时间为3 h ，考察空气流速分别为q 1 = o 3 l r a i n ， q 2 = o 4 l m i n 一，吸附质空气中s 0 2 的浓度分别为c 1 = 0 6 2 x 1 0 - 4 z g m l ， c 2 = 0 7 8 x 1 0 4 f l g m l 一，吸附时间对脱硫率的影响，结果如图5 5 。 5 9 大连交通人学工学硕+ 学位论文 吸附时m 图5 5a c f - m n c u s o 吸附荆吸附时间对脱硫率的影响 f i g 5 5e f f e c to ft h ea d s o r p t i o nt i m eo nt h ep e r f o r m a c eo fd e s u l f u r i z a t i o no fa c f - m n c u s o 由图5 5 可以看出，空气流速为q 1 = o 3 l m i n 1 ，空气中s 0 2 的浓度为 c 2 = 0 7 8 x 1 0 4 t g m l 。1 时a c f 的脱硫率都高于其他吸附条件下a c f 的脱硫率，空气中的 s 0 2 的浓度越高，空气流速越小越有助于