【摘要】：隨著生存環(huán)境的日益惡劣和人們環(huán)保意識的不斷增強,空氣污染控制技術(shù)已成為研究熱點,活性炭(Activated Carbon)吸附凈化氣態(tài)污染物被越來越多的學(xué)者和環(huán)保人士所研究。盡管諸多研究顯示對揮發(fā)性有機污染物(VOCs)和二氧化硫的控制工藝技術(shù)已經(jīng)相對成熟,但是在活性炭吸附微尺度分析理論對吸附作用影響機理研究上仍處于探索階段。本文以活性炭為吸附劑,以丙酮為代表的VOCs和以二氧化硫(S02)為代表的無機氣態(tài)污染物為吸附質(zhì),在活性炭多孔材料微尺度分析的理論上,定量系統(tǒng)地分析有機和無機氣態(tài)污染物與微尺度材料表面物理化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系,從宏觀和微觀不同角度深入探討丙酮和二氧化硫氣體在活性炭多孔介質(zhì)內(nèi)復(fù)雜的表面物理化學(xué)狀態(tài)和相互作用機制,從而科學(xué)地揭示吸附的微尺度構(gòu)效關(guān)系。本課題的研究內(nèi)容和結(jié)論主要包括： (1)利用元素分析、掃描電鏡、BET、傅立葉紅外光譜(FTIR)等一系列分析測試方法對活性炭表面物理化學(xué)等結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)進行測試分析,量化關(guān)聯(lián)有機和無機氣態(tài)污染物在活性炭中的吸附基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)、吸附性能數(shù)據(jù),熱力學(xué)實驗數(shù)據(jù),建立活性炭物理化學(xué)性質(zhì)與吸附行為之間的關(guān)系,系統(tǒng)地分析活性炭的微觀結(jié)構(gòu)對有機和無機氣態(tài)污染物的吸附性能的影響。同時研究活性炭對氣態(tài)污染物的吸附過程中的傳熱傳熱耦合規(guī)律。結(jié)果表明：用Langmuir吸附等溫線模型可較好地描述丙酮在樣品活性炭上的吸附。丙酮吸附量隨著微孔孔容的增大而增大。丙酮在活性炭上的表面覆蓋率隨丙酮濃度的增大而明顯增大。活性炭孔結(jié)構(gòu)影響吸附能,吸附能大的活性炭表面覆蓋率小。在活性炭吸附丙酮的過程中,傳熱系數(shù)的變化對傳質(zhì)影響不大,傳質(zhì)系數(shù)對傳熱有一定影響,與濃度差異引起的傳熱效應(yīng)相比,溫度差異引起的傳質(zhì)過程更加明顯。 在S02吸附研究中,活性炭的總比表面積和微孔比表面積與S02吸附量的線性相關(guān)系數(shù)隨進氣濃度的增加而增大；在較高進氣濃度和較低吸附溫度時,活性炭的總孔容和微孔孔容均與SO2吸附量呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。在相同的吸附溫度和進氣濃度下,活性炭的物性與SO2吸附量影響排序為：次微孔孔容微孔孔容微孔比表面積總比表面積總孔容。當(dāng)吸附溫度一定時,四種商業(yè)活性炭的微孔極限吸附容積排序為山西活性炭(AC-SX)最大,廣州活性炭(AC-GZ)最小,而吸附能的排序為AC-GZAC-NXAC-HNAC-SX。AC-SX極限微孔孔容最大,吸附能最小,最易與SO2進行吸附反應(yīng)。 (2)采用微波熱處理,無機和有機化學(xué)試劑等三種方法對商業(yè)活性炭進行改性,借助Boehm滴定法、透射電鏡、BET、FTIR等分析方法對改性活性炭的表面物理化學(xué)等結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)進行表征,考察改性活性炭吸附丙酮規(guī)律。結(jié)果表明：Langmuir方程更加適合描述丙酮在改性活性炭上的吸附；經(jīng)微波輻照加熱和堿性溶液浸漬改性后,活性炭的總比表面積、孔容均減小,但微孔比表面積顯著增大；在微波輻照加熱改性中,隨著溫度升高,酸性基團大量分解,堿性基團逐漸形成；在堿性溶液浸漬改性后,酸性基團被完全去除。隨著活性表面堿性基團的增加,丙酮吸附量呈現(xiàn)遞減的趨勢；利用酯類試劑浸泡-真空干燥法改性活性炭,可以定向改變活性炭結(jié)構(gòu),促使中孔比表面積減小,微孔比表面積增大,提高了活性炭捕獲吸附質(zhì)分子的能力。酯改性活性炭吸附丙酮氣體初期,會出現(xiàn)酯類改性試劑被丙酮氣體少量置換脫附的現(xiàn)象,采用乙酸乙酯改性的活性炭(AC-ethy)在處理高濕度、低濃度丙酮氣體過程中對丙酮具有良好的吸附性能,與寧夏商業(yè)活性炭(AC-NX)相比較,在維持對丙酮具有一定吸附量的同時,吸附能力基本不受水蒸汽含量的影響。 (3)采用兩床五步式變壓吸附工藝,研究了固定床的兩床變壓吸附處理SO：與空氣的混合氣體的動態(tài)過程,理論分析了商業(yè)活性炭變壓吸附SO2過程中的傳熱傳質(zhì)規(guī)律和脫附狀態(tài)下脫附氣的濃縮率的變化規(guī)律。結(jié)果表明：吸附床內(nèi)的壓力呈周期性變化。不同吸附高度的溫度曲線隨變壓吸附循環(huán)的周期數(shù)改變而變化。在實驗條件下,傳質(zhì)區(qū)主要集中在H=0.08m-0.15m處。隨著吸附柱高度的增加,氣相組分物質(zhì)濃度逐漸降低,并且在400個周期以后開始達到穩(wěn)定。在床層高度0.6m以上沒有SO2氣體的存在。SO2在吹掃脫附階段和真空脫附階段的不同脫附時刻的脫附氣濃縮率均隨變壓吸附過程先快速升高,然后趨于穩(wěn)定。當(dāng)達到穩(wěn)定時,SO2的脫附氣濃縮率隨脫附時刻的增加而降低。所以在實驗條件下,變壓吸附各階段的最佳時長分別設(shè)為,均壓段3s,吸附段為170s,吹掃脫附設(shè)為15s,真空脫附為180s；脫附氣的SO2平均濃縮率為2。 (4)利用煙草工業(yè)廢棄物(煙梗)采用化學(xué)法制備高比表面積活性炭,并對活性炭進行物性表征,探討了不同活化實驗條件下對制備活性炭性能的影響,通過利用孔結(jié)構(gòu)參數(shù)分析所制備的活性炭的大孔、中孔及微孔的分布特征,同時采用所制備活性炭對丙酮進行吸附效果的實驗研究,考察其對丙酮為代表的有機氣態(tài)污染物的吸附效果。結(jié)果表明：在活性炭制備實驗中,活化劑種類和用量對所制備的活性炭的孔結(jié)構(gòu)和吸附性能產(chǎn)生重要影響。采用ZnCl2為活化劑所制備出的活性炭具有較高的比表面積；采用三種活化劑所制備的活性炭的氮吸附等溫線基本符合Ⅰ型吸附等溫線,采用D-A方程和H-K方程分別研究活性炭微孔分布可知,以ZnCl2為活化劑制備的活性炭H-K法微孔分布較寬,呈多峰分布的狀態(tài),這也說明了其形成的微孔極為豐富其且形成比表面積最大。采用BJH方程研究活性炭中孔和大孔分布可知,以KOH為活化劑制備的活性炭所形成的中孔及大孔最為豐富,而在相同活化劑的情況下,高活化劑用量有利于中孔和大孔的形成。通過活性炭固體表面分形維數(shù)的計算得到以K2C03為活化劑制備的活性炭表面是三類活化劑中最粗糙,說明該類活性炭極小微孔0.6nm含量最多。在所研究的溫度和濃度范圍內(nèi),采用K2C03活化劑用量為2：1時制備的活性炭對丙酮吸附能用Langmuir和Temkin模型進行較好的擬合。 本課題的研究成果對活性炭吸附法凈化有機和無機工業(yè)氣態(tài)污染物吸附處理的工業(yè)化應(yīng)用和鄉(xiāng)村廢棄生物質(zhì)資源綜合利用將具有重大的指導(dǎo)意義。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TU834.8

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 岑澤文,曾漢才,張鵬宇,許綠絲,朱全利;PAN-ACF表面物化特性及其吸附能[J];電力環(huán)境保護;2004年03期

2 郭玉鵬,楊少鳳,趙敬哲,王子忱,趙慕愚;由稻殼制備高比表面積活性炭[J];高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報;2000年03期

3 王貴珍;李麗欣;李永真;薛全民;;毛竹活性炭制備及其對含苯酚廢水吸附的研究[J];高�；瘜W(xué)工程學(xué)報;2010年04期

4 王玉新;蘇偉;周亞平;;不同結(jié)構(gòu)活性炭對CO_2、CH_4、N_2及O_2的吸附分離性能[J];化工進展;2009年02期

5 謝蘭英;Lingai Luo;李忠;;VOCs在MAC上吸附等溫線的測定與擬合[J];化工學(xué)報;2006年06期

6 余謨鑫;李忠;夏啟斌;王書文;;活性炭表面熱氧化對其吸附二苯并噻吩性能的影響[J];化工學(xué)報;2007年04期

7 郭亮;彭曉峰;吳占松;;甲烷在成型納米活性炭中的吸附動力學(xué)特性[J];化工學(xué)報;2008年11期

8 李立清;宋劍飛;孫政;姚小龍;劉偉;劉崢;;三種VOCs物性對其在活性炭上吸附行為的影響[J];化工學(xué)報;2011年10期

9 李立清;顧慶偉;石瑞;劉崢;梁鑫;;熱改性活性炭吸附有機氣體的性能[J];化工學(xué)報;2012年06期

10 李立清;梁鑫;石瑞;顧慶偉;姚小龍;唐琳;劉崢;;酸改性活性炭對甲苯、甲醇的吸附性能[J];化工學(xué)報;2013年03期

，

本文編號：2425934