废轮胎发酵法制备多孔炭材料及其吸附脱硫性能研究

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近几十年来,汽油车保有量逐年增高,世界上废弃汽车的轮胎数量很庞大,废轮胎具有较高的热稳定性和较差的生物降解性。同时,它们还占用土地,传播疾病,引起火灾等环境问题,并严重危害环境卫生和人类生命。关于废弃轮胎的再生利用是一个很有现实意义的课题。汽车保有量的增加还会导致另外一个更为严重的问题,那就是汽车尾气排放。尾气排放导致环境问题越来越严重,因为汽油中的含硫化合物在燃烧之后会生成大量硫氧化合物,这些含硫氧化合物的排放进入到大气中会造成大气的严重污染,例如酸雨,从而腐蚀建筑物。不仅如此,这些硫氧化物对人们的健康也带来极大的威胁。所以,人们对于清洁汽油的需求也日益迫切。想要得到清洁汽油,汽油中含硫化合物的脱除尤为重要。目前,最为传统的脱硫方法为加氢脱硫(Hydrodesulfurization,HDS),但是其耗能大,消耗氢气,且会降低汽油辛烷值以及其抗暴燃烧性能。因此亟需寻求一种新的非HDS方法。目前,基于吸附过程的吸附脱硫技术已经得到科研人员的广泛关注。相比较HDS,该方法可在常温常压下对汽油中的含硫化合物进行脱除。因此本文主要以废轮胎发酵法制备多孔炭材料作为吸附剂,配置模拟汽油用于炭材料的吸附脱硫实验,既解决了废轮胎的再生问题,也为脱除汽油中的硫化物提供了思路。系统的考察了孔结构、比表面积、表面性质对吸附脱除硫醇类硫化物的性能的影响。同时运用了SEM、XPS、FT-IR、Raman、N2吸附-脱附、元素分析等技术对多孔炭材料的结构性质和理化性质进行了表征。研究内容如下:(1)以废轮胎颗粒为炭源,添加一定质量比NaHCO3固体加以煅烧。经一步煅烧后获得多孔炭材料。SEM图与N2吸附-脱附结果表明,发酵法制备的多孔炭材料与直接煅烧法制备的炭材料相比,其孔道数量明显增多,孔道数量的增加有利于吸附性能的增加。相比较不加入NaHCO3混合研磨煅烧的炭材料,其比表面积增加了三倍以上,且孔道结构明显增多。发酵法制备的炭材料可以在3 h内对戊硫醇的吸附脱除率达到99.7%,能实现超深度脱除。而直接煅烧法制备的炭材料对戊硫醇的脱除率只有23.8%。除此之外,发酵法制备的炭材料对正丁硫醇也有较好的脱除效果,脱除率达到96.3%。(2)在NaHCO3发酵法制备多孔炭材料的基础上,煅烧前加入(NH42C2O4,一步煅烧后得到负载N的多孔炭材料。与直接煅烧法制备的炭材料相比,负载了N后,多孔炭材料的比表面积增大了四倍,达到了126.2 m2/g。XPS和元素分析结果表明:(NH42C2O4的加入会成功引入N原子,且N原子是以吡啶N,吡咯N或石墨N的形式存在,N原子的引入增加炭材料的电负性,提升了多孔炭材料的吸附性能。在吸附戊硫醇的实验中,在3 h时,发酵法制备的多孔炭材料对72 ppm的戊硫醇脱除率达到99.9%,实现超深度脱除。在更高初始硫浓度的戊硫醇模拟油实验中,该多孔炭材料的最大吸附容量能够达到17.2 mg/g。
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