论文部分内容阅读
针对传统挥发性有机物（volatile organic compounds,VOCs）吸附材料面临的成型活化过程复杂、传质过程受限等问题,本文开发了一种相转化成型-碳化路线制备毫米级尺度的VOCs高效吸附剂的方法。该方法以聚偏氟乙烯为基体,通过相分离制备碳前驱体,并碳化得到具备高VOCs吸附性能及工程应用前景的毫米级多孔碳珠（millimeter-size porous carbon beads,MPCBs）。采用二氧化碳活化手段对MPCBs进行了孔结构调控并评价其对极性VOCs乙醇和丙酮的吸附性能;通过在相转化体系引入铜物种经碳化后制备出Cu-MPCBs,以乙醇、苯和H2S分别为极性、非极性VOCs及酸性气体代表,考察了Cu-MPCBs的多组分同步去除性能。采用扫描电子显微镜、氮气吸附-脱附仪、Boehm滴定、颗粒强度仪、傅里叶变换红外光谱仪和热重差热分析等对MPCBs和活化后样品的物化性质进行分析,主要研究结论如下:1、以聚偏氟乙烯为前驱体,采用“相转化成型-碳化法”,制备出了球形度高、颗粒强度大、热稳定性好、孔道结构丰富的毫米级多孔碳珠MPCBs。同商业活性炭相比其比表面积（832 m2/g）和孔容（0.409 cm3/g）较大,强度高（19.9 N/颗）,表面碱性官能团较多,具有海绵状孔-指状孔-皮质层这一独特的等级分布的孔道结构,对弱极性或者非极性吸附质呈现出优异的吸附效果。MPCBs对乙醇和丙酮的动态吸附符合准二阶动力学模型模型,同商业活性炭相比MPCBs呈现出最高的吸附速率常数和最高的吸附容量（乙醇146.0mg/g,丙酮149.7 mg/g）,同时具有很好的回用性能。2、以二氧化碳为活化剂,成功制备了具有丰富孔道结构的MPCBs,得到了不同比表面积、孔容、颗粒强度和粒径的活化样品。CO2在活化过程中有利于产生发达的微孔和大孔,使得MPCBs结构被刻蚀、碳骨架减少,堵塞的孔道被打开且生成新的孔隙结构,样品的比表面积和孔容得到显著增加,但也造成了样品耐压耐磨强度的降低。在适宜的活化条件下得到的900-1样品,既符合强度要求有较高比表面积且依旧保持MPCBs丰富的孔结构。活化后MPCBs样品对乙醇和丙酮单组分的静态吸附以及动态吸附实验结果显示,吸附剂的吸附性能和活化时间、温度呈正相关的趋势。900-1对乙醇和丙酮的动态平衡吸附容量分别为192.8 mg/g和219.9 mg/g,约为MPCBs的1.4倍。这主要得益于活化后的MPCBs具有更大的比表面积和孔容的孔道结构,产生梯度效应,使得吸附过程中更有利于吸附质分子在吸附剂内扩散和被吸附。3、通过在“相转化成型-碳化法”过程中引入铜物种,成功制备了铜-多孔碳珠,得到了不同比表面积、孔容、颗粒强度和性质的Cu-MPCBs。由乙醇、苯和硫化氢混合组分的动态吸附实验表明,铜的引入、多孔结构的形成,可使Cu-MPCBs在保持对非极性VOCs的吸附性能的前提下,实现了对混合组分的同步去除,拓展了MPCBs对极性VOCs及酸性气体硫化氢的吸附性能。通过程序升温脱附实验,证实了介孔结构对吸附质的解吸具有增强作用。整个实验结果表明,具有适当尺寸和强度、发达的多孔结构和可控的化学性能的Cu-MPCBs作为VOCs吸附剂具有较好的再生利用效果。