生物质基活性炭纤维制备及挥发性有机物吸附性能研究

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挥发性有机物(VOCs)具有产生途径广、控制难度大的特点,对人体和环境具有严重危害。国家“十三五”发展规划将VOCs纳入总量控制,其有效治理日益得到学术界的广泛重视。VOCs的治理技术主要有回收技术和销毁技术,吸附浓缩技术是回收高价值VOCs的有效途径。目前,吸附材料原料来源,吸附容量及其再生性能是VOCs吸附材料研究的重点。本研究利用可再生的生物质纤维原料,通过化学活化法制备生物质基活性炭纤维,开展了生物质基活性炭纤维对中低浓度含氯VOCs和典型苯系VOCs吸附的研究,获得了优异的吸附和再生性能,主要研究内容如下:  1.利用NaOH、ZnCl2为化学活化剂,在450℃惰性气体保护下碳化制备了木棉基活性炭纤维(Kapok-450),同时用ZnCl2为活化剂,制备了具有中空结构的剑麻基活性炭纤维(SACFs-20%-450)、黄麻基活性炭纤维(JACFs-20%-450)、大麻基活性炭纤维(HACFs-20%-450)、棉花基活性炭纤维(CACFs-20%-450),并获得相对较高的碳化得率,分别为28.66%、40.10%、38.57%、31.33%、35.53%。  2.以木棉基活性炭纤维为吸附研究对象,利用扫描电镜、X衍射分析、拉曼光谱及低温氮气吸脱附对木棉基活性炭纤维的结构进行了表征和测定。结果表明,所制备的木棉基活性炭纤维主要由无定形碳组成,具有丰富的微孔结构,比表面达到1397 m2/g。将木棉基活性炭纤维在30℃条件下对具有低沸点的二氯甲烷及常见VOCs中苯、甲苯进行吸附性能评价,由吸附穿透曲线计算获得上述三种VOCs的吸附量分别为130 mg/g、350mg/g、479 mg/g。进一步考察了木棉基活性炭纤维的再生性能及不同温度对二氯甲烷吸附穿透曲线的影响,发现随着吸附温度的升高,穿透时间提前,吸附容量随之下降;在温度为20℃时,木棉基活性炭纤维对二氯甲烷的吸附量可达179 mg/g。  3.针对中空结构的剑麻基活性炭纤维、黄麻基活性炭纤维、大麻基活性炭纤维、棉花基活性炭纤维的吸附性能,开展了VOCs固定床吸附研究,二氯甲烷饱和吸附量分别达126 mg/g、113 mg/g、129 mg/g、126 mg/g;与商品活性炭的饱和吸附量88 mg/g相比,均有明显提高,饱和吸附量Q(大麻基活性炭纤维)>Q(剑麻基活性炭纤维)≈Q(棉花基活性炭纤维)>Q(黄麻基活性炭纤维)>Q(活性炭)。剑麻基活性炭纤维对二氯甲烷的吸附研究中发现适中的活化剂用量所制备的材料更有利于二氯甲烷的吸附。温度对吸附的影响较大,温度在20℃时二氯甲烷饱和吸附量为185 mg/g、当温度升高到40℃时,其饱和吸附量下降到86 mg/g。采用较低流量的热N2脱附及二氯甲烷吸附循环实验中,剑麻基活性炭纤维表现出良好的吸附再生性能。同时,剑麻基活性炭纤维对苯和甲苯具有良好的吸附性能,饱和吸附量分别可达490 mg/g、763 mg/g。中空活性炭纤维的穿透曲线斜率较大,吸附传质高度较低,表明其具有良好的吸附传质速率。对材料进行低温氮气吸脱附、红外、XPS等表征,结果表明中空活性炭纤维具有丰富的微孔结构,微孔率可达0.82,比表面积高达1970m2/g,并且具有丰富的含氧官能团。
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