铜/黑磷和氧化硼/黑磷的制备及燃油吸附脱硫性能研究

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硫氧化物的排放会引发酸雨、雾霾等一系列环境问题,各国纷纷加强了对燃油中含硫化合物浓度的限制,因此寻找一种高效、环保的脱硫方法迫在眉睫。吸附脱硫技术具有耗能少、对设备要求低和操作简便等优点,被认为是未来最具发展前景的脱硫手段。本文以黑磷(BP)为前驱体,采用球磨法制备了 Cu(Ⅰ)改性黑磷纳米片(BPNSs)和B2O3改性BPNSs两种体系的二维吸附剂,用于燃油吸附脱硫。首先分别采用矿化法、溶剂热法和球磨法制备晶体BP,然后通过球磨法将晶体BP剥离成二维纳米片,同时在纳米片上负载活性组分Cu(Ⅰ)或B2O3进而合成吸附剂,最后采用静态吸附法和热再生法对其吸附脱硫和再生性能进行评价。采用湿磨法制备的Cu(Ⅰ)/BPNSs吸附剂是由横向尺寸为100~1000 nm、厚度为3.0~6.0 nm的纳米片无规则堆积而成。由于在BP结构中,每个磷原子均有一对未成键的孤对电子,其赋予了 BP较高的还原性。在制备过程中BP将Cu(Ⅱ)还原成Cu(Ⅰ),并通过Cu-P相互作用将Cu(Ⅰ)锚定在BPNSs表面,显著提高了Cu(Ⅰ)的分散性。Cu(Ⅰ)作为吸附活性中心,其通过与燃油中芳香硫化物形成π络合作用,将含硫化合物吸附于材料表面,从而达到吸附脱硫的目的。采用干磨法制备的B2O3/BPNSs吸附剂,其片层横向尺寸大约为100 nm、厚度为6~8 nm,与湿磨法制备的Cu(Ⅰ)/BPNSs相比,尺寸小,厚度大。B2O3作为缺电子物质可以与富电子BPNSs结合,在增强BPNSs稳定的同时,也可以与含硫化合物发生作用,完成吸附脱硫。Cu(Ⅰ)/BPNSs的吸附容量随Cu/P摩尔比增加而增大。但当Cu的掺入量过高时,Cu2+会对BPNSs造成严重的氧化,导致吸附剂产量下降。最佳的Cu/P摩尔比为0.15,此时吸附剂对苯并噻吩和二苯并噻吩的饱和吸附容量分别为18.02和13.16 mg S/g。B2O3/BPNSs的吸附量随B2O3/P摩尔比增加先增大后减小,当B2O3/P摩尔比为0.10时吸附量最大,此时对苯并噻吩和二苯并噻吩的饱和吸附容量分别为5.71和4.20 mg S/g。Cu(Ⅰ)/BPNSs和B2O3/BPNSs的静态吸附实验数据均符合准二级动力学方程特征。两种体系的吸附剂均可通过热再生进行重复使用,吸附-再生循环四次后的饱和吸附量仍可保持初值的75%以上。
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