活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭對廢物惡臭的處理能力

　　一般的廢物惡臭氣體來自含硫化合物和含氮化合物，我們選擇了五種廢物中散發異味的廢氣，并使用活性炭研究了它們的吸附能力和解吸效率。所選氣體包括極性氣體(硫化氫H2S和氨氣NH3和非極性氣體乙醛、甲硫醇和三甲胺。活性炭具有非極性和疏水特性的微孔、中孔和大孔。由于這些特點，活性炭被廣泛應用于BTEX系列VOC氣體吸附研究。通常，活性炭對VOCs等非極性氣體具有較高的吸附性能。

　　活性炭吸附劑

　　為了研究廢物廢氣的去除效率，購買了顆粒狀活性炭吸附劑，尺寸為3.0-4.0mm。實驗前將材料在110℃下干燥24小時。通過工業分析、元素分析(EA)和N2吸附/解吸性能分析吸附劑。對于近似分析，將干燥的吸附劑碳放入爐中并在950℃下加熱7分鐘，然后在750℃下加熱10小時。樣品產品，包括灰分、揮發物和固定碳含量，測量為總重量的百分比。使用元素分析儀在900℃下進行EA12分鐘，以確定碳、氫、氧、氮和硫的濃度。

　　通過掃描電子顯微鏡(SEM)分析，可以在微觀世界中觀察活性炭的表面形態。圖1a中的SEM圖像顯示，活性炭由具有許多孔隙的小塊組成，并且在表面上發育良好。SEM圖像中高度發達的中孔具有相對較高的BET表面積和孔徑分布。采用熱重分析(TGA)和傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)觀察吸附劑表面失重和活性官能團的變化。對活性炭進行TGA分析以研究其熱穩定性，結果如圖1b所示。TGA曲線顯示活性炭的重量開始緩慢下降。在失重過程中，直至130℃分解為羧基，在逐漸失重過程中直至600℃分解為內酯和酚基。在800℃時，發生的重量損失是由于醚和醌基團的分解。在大約1000℃后，活性炭的重量保持在初始重量的51.6%左右。活性炭的FT-IR光譜如圖1c所示。活性炭的官能團在1022cm-1、1583cm-1和1659cm-1處顯示出三個主峰，它們分別參與羧基中CO和C=O鍵的拉伸。范圍內的譜帶推斷出雙取代炔烴中碳-碳三鍵的存在可以從2250–2400cm-1。然而，在2500~4000cm-1范圍內未發現羥基(OH)、不對稱或對稱(CH)拉伸的譜帶。

　　圖1：(a)掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，(b)TGA重量百分比曲線，以及(c)活性炭的光譜圖。

　　活性炭對惡臭廢氣的吸附性能

　　為了評估活性炭對不同廢氣的有效吸附量，應研究其吸附能力。廢氣的氣味閾值和刺激水平在十億分之一的水平。吸附劑的總吸附容量很難用作從廢物中去除廢氣的設備的設計因素。因此，我們根據突破點計算了小于1ppm的有效吸附量。突破柱實驗在304不銹鋼管式反應器中進行，總流量為1L/min，其中包含硫化氫(H2S)、氨(NH3)、乙醛(AA)、甲硫醇(MM)和三甲胺(TMA)，如圖2所示。突破曲線依次為H2S、NH3、AA、MM、TMA。與廢氣相比，TMA具有更好的動態吸附性能，因為它具有更長的突破時間和相應的更大的有效吸附容量(<1ppm)。

　　圖2：廢氣在活性炭上的突破曲線。

　　SV對NH3氣體的影響

　　活性炭對氨的有效吸附能力受氣相SV變化的影響。流速從0.1升/分鐘增加到10升/分鐘。結果表明，接觸時間足以使氣態氨流過孔隙間和孔內，到達停滯區，并粘附在吸附劑床上。較高的流速與大多數氨可以從吸附劑表面位點逸出的事實形成對比，因為它在入口處具有高輸入負載。這表明應該控制吸附劑上捕獲的氨的動力學。

　　不同吸附NH3濃度的解吸模式

　　分析了不同濃度(40ppm和1000ppm)和流速(10、20和30L/min)下氨的解吸，結果如圖3所示。最大解吸濃度根據吸附濃度而不同。然而，結果表明氨在濃縮十倍后解吸。使用濃度為40ppm的吸附劑檢查根據解吸流量的解吸速率。大約60%的吸附氨在10L/min的流速下大約1.8小時后解吸，大約79%的吸附氨在20L/min的流速下1.5小時后解吸。在30L/min的最高解吸流速下，大約81%的氨在1.4小時后被解吸。結果表明存在拖尾現象，其中由于解吸所需的能量不足，解吸會在較長時間內以低流速發生。在濃度為1000ppm時，隨著解吸流速的增加，解吸速率增加，解吸時間減少。由于初始進料濃度為1000ppm，解吸率為50%、79%和80%所需的吸附時間分別為2.4、2.3和1.4小時。結果表明，無論吸附濃度如何，解吸量都隨著流速的增加而增加，因為解吸量與解吸能量成正比。

　　圖3：解吸流速對1000ppm濃度下(a)40ppm和(b)100℃在活性炭上吸附的影響。

　　活性炭對廢物惡臭的處理能力的研究中，使用廢物產生的五種污染廢氣，包括硫化氫、氨、乙醛、甲硫醇和三甲胺，評估了吸附劑的有效吸附能力。為了比較廢氣的有效吸附能力，使用活性炭作為吸附劑。三甲胺、甲硫醇、乙醛、氨和硫化氫的有效吸附容量與分子大小成正比，極性氣體(硫化氫和氨)導致有效吸附容量低于非極性氣體(乙醛、甲硫醇和三甲胺)。在氨這種極性氣體的每種吸附條件下進行了實驗。活性炭的有效吸附量與SV成反比，有效吸附量隨著供給濃度的增加而增加。相反，有效吸附容量隨著流速的增加而降低。此外，在吸附過程中以低流速供應高濃度導致高有效吸附容量。解吸速率與解吸流速和解吸溫度成正比。在150℃時，100%的吸附氨被解吸。總之，在不同的吸附/解吸條件下進行了實驗，以去除廢物中的惡臭氣味。結果表明，活性炭是一種很好處理惡臭的環保材料。

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