铜改性吸附剂吸附-氧化PH3应用基础研究

来源 :昆明理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liu8521
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PH3作为一种典型的有毒有害气体,其排放和分布具有显著的行业特色和区域特色。由于PH3的强化学活性和综合生物毒性,直接向大气环境排放PH3会对人体健康和环境造成严重威胁,因此,必须对尾气中的PH3进行有效脱除。在多孔载体上负载铜物种所制得的负载型吸附剂能够通过吸附-氧化实现对尾气中PH3的脱除。然而,传统负载型吸附剂的PH3穿透容量有限,PH3在其表面的反应机理仍需要进一步明确。此外,失活吸附剂再利用的相关研究较少。针对以上问题,本论文开展了相关研究,旨在开发高性能PH3吸附剂,同时实现失活吸附剂再利用,为剧毒气体PH3高效脱除及失活吸附剂再利用技术提供了一定的实验和理论基础。本论文主要研究内容和结论如下:(1)通过浸渍法制备Cu/HZSM-5吸附剂,发现掺杂微量的Ce可以显著提升吸附剂在低温低氧条件下脱除PH3的性能。实验结果表明Ce1Cu30OX/HZSM-5吸附剂的穿透容量为114.36 mg(PH3)·g-1sorbent。进一步研究发现Ce掺杂可以有效提升吸附剂的比表面积和表面活性氧浓度,同时改善活性组分在HZSM-5表面的分散性。失活吸附剂经过加热空气吹扫后能够实现再生。(2)为了解决Ce1Cu30OX/HZSM-5吸附剂成本高和磷容低的问题,采用活性炭作为载体,通过水热合成法成功制备活性组分具有三维结构(3D)的吸附剂(3DCu1/CBAC-350),该吸附剂穿透磷容高达181.44 mg(PH3)·g-1sorbent。吸附剂的优异性能归因于其活性组分具有独特的三维空间结构、较大的比表面积和丰富的表面活性氧。这种3D吸附剂的实际优势在于吸附剂失活后活性组分转化为高附加值的P型半导体Cu3P。经过测试,失活吸附剂展现出明显的光催化活性。在此基础上,本研究提出了一种PH3处置策略:利用铜改性吸附剂在温和条件下将尾气中的PH3污染物转化为可资源化利用的Cu3P光催化材料。(3)为了简化吸附剂的制备流程并进一步提升性能,同时改善反应产物Cu3P的纯度,结合光催化材料g-C3N4的制备方法,合成了碳氮掺杂Cu O吸附剂(XCu O@NC)。该吸附剂的设计以PH3的资源化转化作为导向,同时实现PH3的高效净化脱除。结果表明,这种吸附剂表面丰富的氧空位有利于O2的解离,进而促进PH3的解离和转化,因此展现出较强的PH3脱除性能,穿透容量为272.54 mg(PH3)·g-1sorbent。同时,吸附剂失活后转化为高纯度的Cu3P,具有出色的光催化性能,可应用于光催化降解罗丹明B(Rh B)。(4)采用幂函数的动力学模型对2Cu O@NC吸附剂吸附-氧化PH3的穿透曲线进行了数值拟合,通过对一系列动力学实验数据的分析拟合得到PH3吸附-氧化的动力学方程式。同时,对不同条件下实验测得的反应速率与反应动力学方程计算的反应速率进行对比,发现理论值和真实值相对误差<5%,表明所得方程基本可靠。此外,通过分子模拟计算研究了PH3在Cu O(111)晶面的反应机理。结果表明在还原性表面OV-Cu O(111)上,PH3可以稳定吸附于氧缺陷处。PH3通过逐步脱氢过程生成P物种(PH3*→PH2*→PH*→P*)。还原性表面能够促进O2的解离,进而使Cu O表面存在部分吸附氧,表面吸附O可以通过逐步加氢生成H2O去除,从而恢复完美表面。
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