【摘要】：摘要：對于利用吸附法處理微環(huán)境中水蒸氣時,常選用硅膠、分子篩、活性炭等材料作為吸附劑。有關水蒸氣在硅膠與分子篩中的吸附機理研究較多,其吸附相關理論也已比較完善。而對于水蒸氣在活性炭中吸附過程與機理還有很多問題需要認識與解決。鑒于此,研究活性炭吸附水蒸氣的變化規(guī)律、深入探索活性炭在吸附水蒸氣過程中的作用機理、完善與優(yōu)化水蒸氣在活性炭表面吸附相關理論、建立描述水蒸氣吸附過程傳熱傳質數(shù)學模擬體系具有重要的意義。 本文以研究改性條件變化對活性炭物性影響作為出發(fā)點,研究了硝酸改性活性炭孔結構與表面氧含量在不同氧氣濃度、溫度與時間下改性后的變化規(guī)律。通過Design Expert7.0軟件建立了改性條件與活性炭物性參數(shù)間的量化關系,探討不同改性方法對活性炭物性的影響規(guī)律。結果表明：通過響應曲面法得到的二次方程可以準確對活性炭相關物性進行預測。較高的氧氣濃度、較低的改性溫度與較長的改性時間有利于增加活性炭表面氧含量。對活性炭物性參數(shù)優(yōu)化可通過兩種方式實現(xiàn)：(1)：在氧氣濃度極低的環(huán)境中,適當提高改性溫度與增加改性時間；(2)：增加氧氣濃度,降低改性溫度與縮短改性時間。 在研究活性炭物性在熱氧聯(lián)合改性中變化規(guī)律的基礎上,利用TGA、FTIR、Boehm滴定、XPS等測試手段,探討了活性炭表面官能團在熱氧環(huán)境中的變化規(guī)律。研究表明：硝酸改性活性炭表面會生成含氧、含氮官能團。酚羥基/羥基官能團在378-473K內氧化生成羧基官能團；本底碳在573-773K內氧化生成環(huán)氧基/內酯基官能團。羧基官能團的熱穩(wěn)定性最差,在573K時受熱分解；內酯基／酮基/醌基官能團的熱穩(wěn)定性好于羧基官能團,分解溫度范圍在773-973K；醚基/環(huán)氧基官能團熱穩(wěn)定性最好,分解溫度在973K以上 利用五種不同的親水性有機鹽改性制備親水性活性炭。通過孔徑分析、SEM-EDX測試樣品物性。結果表明：五種不同親水性有機鹽引入活性炭,制得物性各不相同的炭材料。在吸附實驗中,相對壓力小于0.50時,改性活性炭在303-323K內對水蒸氣的吸附量相較原始活性炭增加了0.57-17.12倍。水分子與活性炭表面親水性官能團以氫鍵連接,增加了其熱穩(wěn)定性。研究了吸附溫度、表面氧含量、孔容、有機鹽性質對水蒸氣吸附性能的影響。發(fā)現(xiàn)改性活性炭對水蒸氣的吸附性能主要受其表面氧含量的影響。有機鹽中所含羧酸根會對活性炭微孔結構產(chǎn)生顯著影響,而其所含金屬離子對微孔影響有限。改性活性炭對水蒸氣的吸附量差異可通過Pauling提出的電負性理論解釋。 在活性炭表面,采用乙酸乙酯-氫氧化鈉堿性水解制備親水性活性炭。利用孔徑分析、FTIR、SEM-EDX、 XRD、XPS等測試活性炭物性。發(fā)現(xiàn)利用堿性水解法在活性炭表面引入親水性官能團相較利用鹽溶液直浸法更加有效。在吸附實驗中,親水性官能團與水分子以氫鍵連接,增大了活性炭對水蒸氣的吸附量。利用DD模型可以準確擬合水蒸氣等溫吸附線。隨著溫度的升高,圍繞官能團形成的水分子簇逐漸增大。通過TGA對水分子脫附性能進行研究。發(fā)現(xiàn)以氫鍵連接的水分子具有更好的熱穩(wěn)定性。利用乙酸乙酯-氫氧化鈣堿性水解驗證該方法的普適性。同時,討論了該方法制備活性炭的再生吸附性能。發(fā)現(xiàn)MAC-398的再生吸附性能最好,再生率達到了93.32%。 基于DD模型理論,提出含有較少參數(shù),可直接測量活性炭對水蒸氣吸附量的簡化等溫吸附模型。同時,基于假設條件,理論推導得到計算活性炭微孔吸附平衡常數(shù)的數(shù)學模型。利用不同物性活性炭吸附水蒸氣,驗證簡化模型與微孔吸附平衡常數(shù)模型的準確性。結果表明：簡化模型與微孔吸附平衡常數(shù)計算模型適用性良好。對于簡化模型,通過有限次吸附實驗,依次將其中參數(shù)與溫度建立數(shù)學關系,得到以宏觀量表示的簡化模型,可實現(xiàn)其它工況下水蒸氣吸附量的計算。對于微孔吸附平衡常數(shù)計算模型,可計算活性炭吸附水蒸氣過程中的熱力學參數(shù),為活性炭吸附水蒸氣性能提供普適性熱力學判據(jù)。 建立了活性炭吸附水蒸氣傳熱傳質數(shù)學模型,研究了實驗過程中相關參數(shù)變化對吸附過程的影響。發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高,水分子吸附擴散速度加快,吸附穿透時間縮短,吸附柱溫度變化率降低。討論了模型參數(shù)變化對吸附柱傳熱傳質規(guī)律的影響。嘗試研究了水蒸氣／甲苯與水蒸氣／丙酮混合蒸氣在吸附過程中傳質規(guī)律變化。研究發(fā)現(xiàn)：以Langmuir方程為基礎建立的傳質模型可對吸附初始階段傳質過程較好描述。三種吸附質的吸附性能強弱依次為甲苯水蒸氣丙酮。隨著吸附溫度的升高,活性炭對每種組分的吸附能力均下降。
【圖文】：

化物的存在自19世紀被得到證實[97]之后，很多科學家對此進行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)活性炭表面含氧官能團主要有9種可能的類型，其分子結構見圖1-2所示。按基 接酸幰 內醋基^'■基 藤經(jīng)基 ^~基 醒基圖1-2活性炭表面主要含氧官能團活性炭表面含氧官能團構建的主要通過氧化法來實現(xiàn)，如利用過氧化氧[98-lG51、銷酸[1_2]、氧化鹽溶液["3-117]等的液相氧化法；利用臭氧["8“25]、一氧化碳[I26】、氧氣等[115，127._的氣相氧化法以及利用熱改性處理的熱氧化法[131]。具體的改性過程及應用見表1-1所示。從表1-1可以看出，一般情況下，酸改性能提高活性炭表面酸性官能團含量，提高對堿性物質和金屬的吸附性能，但是也可能帶來孔容和BET面積減少；堿改性能提高有機質親和性能，但那也可能降低對金屬離子的吸附量；鹽浸漬能提升吸附材料催化性能，但也可能減少孔容與BET面積；熱改性能提高孔容和BET面積，但也可能造成含氧基團熱解；有機溶液改性能賦予吸附材料特定官能團

對于活性炭孔結構與吸附質的作用機理己有很多相關的研究。在不同的相對壓力下，吸附質在活性炭孔結構中的吸附形式各不相同。如圖1-3所示，當相對壓力很低時，吸附質分子首先被活性炭表面吸附活性中心捕獲，而后在活性炭表面形成單分子吸附層(圖l-3a)。隨著相對壓力的升高，，活性炭表面覆蓋率持續(xù)增加，當單分子層吸附接近飽和時，開始發(fā)生多分子層吸附丨153](圖l-3b)。此時，若相對壓力達到發(fā)生毛細凝聚的Kelvin半徑對應的特定值時，吸附質便在活性炭孔結構中發(fā)生毛細管凝聚[154，155](圖1-3C)。當相對壓力進一步升高時
【學位授予單位】：中南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TU834.9

【參考文獻】

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1 李開喜,凌立成,劉朗,張碧江,劉振宇;熱處理改性的活性炭纖維的脫硫活性[J];催化學報;2000年03期

2 楊明平,付勇堅,黃念東;硝酸氧化改性活性炭處理含鉻廢水的研究[J];材料保護;2004年09期

3 高賽男;王俊儒;黃翔峰;關煒;陸麗君;劉佳;;采油廢水生物法處理出水活性炭吸附試驗研究[J];環(huán)境科學與技術;2010年12期

4 黃彪,高尚愚;竹炭、竹醋液生產(chǎn)技術與應用研究綜述[J];福建林學院學報;2003年01期

5 Adrian M.Hough,Richard G.Derwest,朱岳年;人類活動引起的對流層臭氧濃度的全球變化[J];地球科學進展;1990年06期

6 牟淑杰;;改性活性炭處理含氰廢水的試驗研究[J];黃金;2009年03期

7 黃偉;賈艷秋;孫盛凱;;活性炭及其改性研究進展[J];化學工業(yè)與工程技術;2006年05期

8 ;Effect of activation agents on the surface chemical properties and desulphurization performance of activated carbon[J];Science China(Technological Sciences);2010年09期

9 李和平;;基于AT89S52的礦井溫濕度智能控制系統(tǒng)設計[J];吉首大學學報(自然科學版);2010年01期

10 何正林;趙望達;;配電房溫濕度測控系統(tǒng)的設計[J];計算機測量與控制;2008年07期

本文編號：2546807