超声波和添加剂对活性炭中孔及吸附性能的影响_罗雪岭.pdf

第 38卷 第 3 期 中国矿业大学学报 Vol 38 No 3 2009 年 5月 Journal of China University of Mining 在浸渍过程中采用超声波处理 相对于常规浸渍 更加有利于提高活性炭 吸附性能和中孔率 但是活性炭的碘值 亚甲蓝值和中孔率随着超声波功率和时间的增加而降 低 试验范围内 超声波功率 40 W 处理时间 50 min 时 活性炭的吸附性能及中孔率最高 关键词 活性炭 添加剂 超声波 中孔率 中图分类号 TQ 424 1 1文献标识码 A文章编号 1000 1964 2009 03 0406 04 Effects of Additives and Ultrasonic T reatment on the Mesopore Structure and Adsorption Performance of the Activated Carbon LUO Xue ling ZHANG Shuang quan CHEN Pei YUE Xiao ming DONG Ming jian School of Chemical Engineering and T echnology China University of Mining additive ultrasonic mesoporous ratio 活性炭的多孔结构决定了活性炭具有多种性 能 1 不同的孔径能够发挥与其相应的机能 因此 活性炭在环保 催化剂及其载体 水处理等方面得 到广泛应用 2 5 同时活性炭的孔隙结构及其表面 化学性质还可以通过化学物理的方法加以改善修 饰 6 这就为通过对活性炭改性以更好发挥其机能 提供了可能 在炭化活化过程中 添加合适的化学 试剂会起到催化氧化的作用 7 这些化学试剂也会 增加活化反应的活性点 从而有利于活性炭孔隙的 发展 第 3 期 罗雪岭等 超声波和添加剂对活性炭中孔及吸附性能的影响 近年来 随学科间相互交叉 渗透 声化学被应 用于化学反应过程 在有机合成 聚合物科学 催化 剂的制备和再生 生物化学 电化学及萃取等领域 应用广泛 8 在超声作用下 液体会发生空化 9 声空化所产生的局部高温 高压 发光 冲击波 微 射流等能加强传质 同时可降低溶液的黏度 10 有 效扩散系数大幅度增加和浸渍液被大量压入毛细 孔 因此导致浸渍速度提高 采用超声波处理活性 炭已有大量的研究 但是鲜有在活性炭浸渍化学试 剂过程中采用超声波处理 因此本文在活性炭浸渍 添加剂过程中采用超声波处理 通过再活化 研究 添加剂及超声波功率 超声波处理时间的变化对活 性炭性能的影响 1材料与方法 1 1化学试剂及仪器 实验中所用化学药品有 碳酸钾 K2CO3 盐 酸 H Cl 重铬酸钾 K2Cr2O7 碘化钾 KI 碘 I2 硫代硫酸钠 Na2S2O3 硫酸 H2SO4 磷酸 二氢钾 KH2PO4 磷酸氢二钠 Na2HPO4 以上 试剂均为市售分析纯 可溶性淀粉 亚甲蓝指示剂 采用美国 Quantachrome 公司的 Autosorb 1 MP 型气体吸附仪以及昆山市生产的 KQ2200DB 型超声波发生器 1 2实验方法 实验工艺流程如图 1 所示 以碳酸钾和助剂为 复合添加剂浸渍商品活性炭 选定复合添加剂浸渍 量为商品活性炭 4 质量比 碳酸钾与助剂质量 之比为 1 1 经水溶解后在超声波作用下浸渍到 活性炭内 改变超声波的频率和作用时间进行浸渍 处理 配合活化工艺 研究添加剂及超声波对活性 炭吸附性能和孔隙结构的影响 超声波发生器工作 的频率为 40 KHz 选择的功率分别为 0 40 60 90 W 时间分别为 0 30 50 70 min 然后置于烘箱内 在 120 下恒温干燥 2 h 称取一定量的经浸渍干 燥后的待活化样品 装入管式电阻炉加热 当温度 达到设定值时通入水蒸气活化一定时间后冷却取 出 将活化过的活性炭放入烧杯 用 5 盐酸进行 酸洗 再用去离子水洗至 pH 值为 5 左右 水洗合 格后移至烘箱中于 120 下干燥 2 h 待分析测定 图 1 活性炭制备流程图 Fig 1Flowsheet of activated carbon preparation 活性炭样品采用碘吸附值 亚甲蓝吸附值以及 孔径分布表征活性炭的吸附性能 碘吸附值 亚甲 蓝吸附值按国标方法进行测定 测定孔径分布时 首先将样品在 300 和高真空下脱气10 h 以高纯 氮为吸附质 在液氮温度和起始压力为 1 0 10 6 Pa 下进行测定 2结果与讨论 2 1超声波功率对活性炭吸附性能及孔隙结构 的影响 表 1 为原料炭的吸附性能与孔结构参数 按上 述方法制备活性炭样品 添加剂浸渍活性炭过程中 超声波作用时间为 30 min 分析不同超声波功率 对活性炭碘值 亚甲蓝吸附值及中孔结构的影响 根据实验结果绘制成折线图 见图 2 3 表 1原料炭的吸附性能及孔结构参数 Table 1Adsorption and pore structure parameters of commercial activated carbon 样品 碘值 mg g 1 亚甲蓝 mg g 1 SBET m2 g 1 V mic mL g 1 V meso mL g 1 VT mL g 1 中孔率 微孔率 大孔率 原料8802299270 327 00 075 10 459 016 448 035 6 注 表示微孔孔容由 DFT 法得到 表示中孔孔容由 BJH 法得到 表示大孔由吸附法总孔容 VT与微孔和中孔孔容差减得到 图 2超声波不同功率下活性炭的碘值和 亚甲蓝值随烧失率的变化 Fig 2Relationship between I2number MB and burn offs of activated carbon prepared with ultrasonic treatment at different power 图 3超声波不同功率下活性炭中孔率随烧失率的变化 Fig 3Relationship between mesoporous ratio and burn offs of activated carbon prepared with ultrasonic treatment at different time 407 中国矿 业大学 学报 第 38 卷 结合表 1数据和图 2 3 可以看出 经常规浸渍 添加剂后再活化的样品性能相对于原样品 其碘 值 亚甲蓝值均有一定程度的提高 说明该复合添 加剂有利于活性炭孔隙的发展 同时可以计算得 到 活性炭的中孔率相对于原料增加幅度在 10 左右 与常规浸渍相比 在超声波作用下进行浸渍 再活化后活性炭的碘值和亚甲蓝值均有不同程度 的增加 这应该是由于超声波的作用使得浸渍溶液 中的活性金属离子更加均匀分散在活性炭上 11 从而增加了活性炭活化过程中的活性位 有利于添 加剂成分在炭孔隙表面的气化扩孔反应 12 使得 活性炭的孔隙朝着中大孔方向发展 但实验结果表 明 虽然超声波处理有利于活性炭碘值和亚甲蓝值 的提高 但随着超声波功率的增加 活性炭的碘值 和亚甲蓝值反而减小 表明超声波功率增大不利于 提高活性炭的对碘和亚甲蓝的吸附性能 因此 在 实验范围内选择超声波功率为 40 W 处理后的活 性炭 其对碘和亚甲蓝的吸附性能良好 图 3 为超声波功率变化对所制备的活性炭中 孔率的影响 经超声波处理的活性炭中孔所占的比 例要大于常规浸渍 而且在实验范围内超声波功率 越小 所制备的活性炭的中孔率越大 随着功率的 增加中孔率反而下降 说明浸渍活性炭过程中采用 超声波处理有利于活性炭孔隙向中孔方向发展 而 且超声波功率较小时会更有利于增加活性炭孔隙 中中孔的比例 2 2超声波处理时间对活性炭吸附性能的影响 按上述 1 2 中所述的方法 添加剂浸渍活性炭 过程中超声波功率选为 60 W 处理时间分别为 0 30 50 70 min 分析超声波处理时间对活性炭碘 值 亚甲蓝吸附值及中孔结构的影响 图 4 5 是由 实验结果绘制的折线图 图 4超声波不同时间处理下活性炭的 碘值和亚甲蓝值随烧失率的变化 Fig 4Relationship between I2number MB and burn offs of activated carbon prepared with ultrasonic treatment at different time 浸渍经超声波作用的活性炭的碘值 亚甲蓝值 均有一定程度的增加 但是随着超声波作用时间的 增加 其值反而减小 当超声波处理时间为 70 min 时 亚甲蓝值小于常规浸渍处理的样品 说明随着 超声波处理时间的增加 超声波会降低活性炭的吸 附性能 不利于活性炭碘值和亚甲蓝值得提高 图 5 为超声波处理时间对活性炭中 大孔的影 响 浸渍过程超声波作用有利于提高活性炭的中孔 率 试验范围内 相对于常规浸渍中孔率呈现增长 趋势 但是 超声波作用时间过长 70 min 时 超声 波呈现负作用 中孔率反而低于常规浸渍 由图 5b 推测这可能是由于长时间超声波作用会使部分中 孔结构破裂成大孔 从而减少中孔率 因此说明超 声波作用时间不宜过长 在试验范围内 50 min 最 为合适 得到的活性炭样品中孔率最高 图 5超声波不同时间作用下活性炭中 孔率随烧失率的变化 Fig 5Relationship between mesoporous ratio and burn offs of activated carbon prepared with ultrasonic treatment at different time 3结论 1 经复合添加剂浸渍二次活化可利于提高活 性炭的吸附性能及活性炭的中孔比例 2 复合添加剂浸渍活性炭时经超声波处理 二次活化所制备的样品的性能较常规浸渍方法有 一定程度的提高 同时活性炭的中孔比例也得到不 同程度的提高 3 活性炭的碘值和亚甲蓝值随着超声波功率 的增加而降低 在试验范围内当超声波功率为 40 W 时 制备得到的活性炭吸附性能最好 中孔率最 高 4 在一定时间范围内超声波作用有利于提高 活性炭的碘值和亚甲蓝值 但是当超声波时间过长 时会出现负作用 即活性炭的碘值和亚甲蓝值反而 小于常规浸渍所制备的活性炭 在试验范围内超声 波时间为 50 min 时所得的活性炭中孔率最高 参考文献 1 立本英机 安部郁夫 活性炭的应用技术 M 高尚 愚 译 南京 东南大学出版社 2002 12 2 王淑勤 樊学娟 改性活性炭治理室内空气中甲醛 的实验研究 J 环境科学与技术 2006 29 8 39 41 WANG Shu qin FAN Xue juan Treatment of form 408 第 3 期 罗雪岭等 超声波和添加剂对活性炭中孔及吸附性能的影响 aldehyde from indoor air by modified activated carbon J Environmental Science and T echnology 2006 29 8 39 41 3 李忠瑞 伏义路 姜 明 等 活性炭担载的钾钼合 成醇催化剂 J 燃料化学学报 1999 27 5 467 471 LI Zhong rui FU Y i lu JIANG Ming et al Study on activated carbon supported Mo K catalysts for a l cohol synthesis J Journal of Fuel Chemistry and Technology 1999 27 5 467 471 4 ZIELINSK M WOJCIESZAK R MONTEVERDI S et al Hydrogen storage in nickel catalysts sup ported on activated carbon J International Journal of Hydrogen Energy 2006 31 1 9 5 张小璇 叶李艺 沙 勇 等 活性炭吸附法处理染 料废水 J 厦门大学学报 自然科学版 2005 44 4 542 545 ZHANG Xiao xuan YE L i yi SHA Yong et al Treatment of dyeing wastewater with activated car bon J Journal of Xiamen U niversity Natural Sc i ence 2005 44 4 542 545 6 TAMAI H SHIRAKI K SHIONO T et al Sur face functionalization of mesoporous and microporous activated carbons by immobilization of diamine J Journal of Colloid and Interface Science 2006 295 299 302 7 张双全 钱中秋 王祖讷 催化 氧化理论及其在活 性炭制备中的应用 J 中国矿业大学学报 2000 29 2 178 182 ZHANGShuang quan QIAN Zhong qiu WANG Zu ne Theory of catalysis oxidation and its use in preparing activated carbon J Journal of China Un i versity of Mining Technology 2000 29 2 178 182 8 于凤文 徐之超 计建炳 超声波在化学工业中的应 用 J 化工时刊 2000 7 1 4 YU Feng wen XU Zh i chao JI Jian bing Applica tion of ultrasound in chemical industry J Chemical Industry T imes 2000 7 1 4 9 李春喜 宋红艳 王子镐 超声波在化工中的应用与 研究进展 J 石油学报 石油加工 2001 17 3 86 94 LI Chun xi SONG Hong yan WANG Z i hao Re cent advances of research and ap