活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　活性炭對氮氧化物的吸附,汽車尾氣中NOx的處理已有過很多研究，但是在密閉區(qū)域低濃度氮氧化物的存在仍在研究中。舉例來說，當(dāng)人們在高速公路上行駛時，車內(nèi)的NO2濃度可以接近0.15ppmv。這種室內(nèi)污染成為環(huán)境問題和健康問題。在本工作中，在室溫中研究了NO的環(huán)境輻射和減排。通過物理(CO2或H2O)或化學(xué)活化(H3PO4)制備的三種活性炭(AC))作為吸附劑進(jìn)行測試。這次主要模擬與現(xiàn)實生活環(huán)境中濃度一致的氮氧化物被多種活性炭吸附實驗。

　　氮氧化物向大氣排放的增加已成為一個重大的環(huán)境問題。在各種有害氣體中氮氧化物(NOX)具有通過煙霧與大氣中的水蒸氣結(jié)合形成酸雨還具有減少臭氧層的環(huán)境影響。目前已有幾種方法已被應(yīng)用于氮氧化物消除，包括通過選擇性非催化還原(SNCR)和選擇性催化還原(SCR)還原NOx。然而，這些技術(shù)有諸多成本和技術(shù)復(fù)雜性等缺點(diǎn)。因此，降低溫度下的吸附分離受到越來越多的關(guān)注。幾種吸附劑包括沸石，鈣鈦礦和碳質(zhì)材料。然而，活性炭對氮氧化物的吸附性能研究是很有前景的。

　　盡管用于汽車和工業(yè)廢氣都實施了減排措施，城市人口與車輛的增加導(dǎo)致了更多氮氧化物的排放。使用木質(zhì)纖維為前體制造的活性炭在環(huán)境溫度去除氮氧化物。這些活性炭吸附劑表現(xiàn)出令人感興趣的吸附容量范圍在40mg/g和120mg/g之間。然而，這些活性炭的性能通常在干燥和潮濕條件下在空氣存在下在500-1000ppmNO濃度下進(jìn)行評估。

　　活性炭樣品制備

　　活性炭原始前體用熱蒸餾水充分洗滌并在環(huán)境溫度下干燥24小時。然后，將干燥的原材料粉碎并過篩至1-3mm粒度。根據(jù)以下方案進(jìn)行化學(xué)和物理活化制備不同的活性炭。

　　化學(xué)活化

　　制備粒狀H3PO4活化的樣品，將活性炭原料按重量比(1:3)浸泡在正磷酸水溶液(50%，w/w)中。懸浮液在110℃下攪拌9小時。然后，將過濾的材料在氮?dú)饬髦性?70℃下干燥和碳化30分鐘，最后在410℃下2小時30分鐘。得到的活性炭，表示為AC-H3PO4然后用蒸餾水充分洗滌直至消除所有酸跡，并在110℃下干燥過夜�；瘜W(xué)活化法的收率為33重量%。參考近期發(fā)表的關(guān)于化學(xué)活性炭的研究，結(jié)果表明，這種產(chǎn)率更重要的是生物質(zhì)的KOH活化。從其它種類材料中合成了一系列KOH活性炭。樣品收率在11至16重量%范圍內(nèi)，對于較高的KOH，吸收率較低。

　　物理活化

　　碳化和活化步驟在不銹鋼反應(yīng)器中的固定床反應(yīng)器中進(jìn)行，所述不銹鋼反應(yīng)器放置在配備有溫度控制器的垂直自動化爐中，初始質(zhì)量的生物質(zhì)等于2g。首先，將前體在氮?dú)饬飨略?00℃下碳化2小時。隨后，通過將氣體轉(zhuǎn)換成純CO2或轉(zhuǎn)換成水蒸氣來進(jìn)行所得炭的活化。目標(biāo)溫度保持在750℃6小時。關(guān)于物理激活過程的更多細(xì)節(jié)可以在以前的內(nèi)容中可以找到。

　　圖1.樣品的掃描電子顯微照片：(a)活性炭-H3PO4，(b)活性炭-CO2和(c)活性炭-H2O.

　　制得活性炭的形態(tài)學(xué)和孔結(jié)構(gòu)表征

　　圖1中收集了活性炭-H3PO4，活性炭-CO2和活性炭-H2O的掃描電子顯微鏡(SEM)顯微照片。三個樣品在表面形態(tài)上顯示出顯著的差異，從而揭示不同的活化機(jī)制。樣品活性炭-H3PO4排列成緊密的片狀(參見圖1a)。實際上，磷酸起酸性催化劑的作用，促進(jìn)鍵斷裂和通過環(huán)化/縮合反應(yīng)形成交聯(lián)。沉積的H3PO4可以與有機(jī)物質(zhì)反應(yīng)形成連接和交聯(lián)生物聚合物片段的磷酸酯和多磷酸酯橋。磷酸鹽基團(tuán)的添加(或插入)驅(qū)使一個膨脹過程，在除去酸之后，使基體處于膨脹狀態(tài)，其特征在于具有易于獲得的孔結(jié)構(gòu)。在化學(xué)活化期間觀察到類似的觀察作為一個例子，KOH與活性炭反應(yīng)在中間溫度和進(jìn)一步增加，得到的碳酸鹽/碳酸氫鹽在溫度導(dǎo)致的分解和氣化以產(chǎn)生孔隙率。另外，在ZnO化學(xué)活化過程中，發(fā)生不同的還原反應(yīng)以產(chǎn)生高孔隙率。物理活性炭-CO2和活性炭-H2O表現(xiàn)出非常相似的表面形態(tài)。圖1b，c顯示了不規(guī)則形狀的顆粒，對于兩種活性炭都具有大的圓錐形空腔和平滑的表面。

　　圖2. 氮氧化物的穿透曲線X通過三種不同活性炭吸附劑樣品(C由1 NO2 =5ppm的，C1 NO=0ppm時，23℃，50%RH，V=0.2米/秒，米Sorb =2g)。

　　不同的活性炭對氮氧化物的吸附性能

　　圖2顯示了通過三種不同活性炭的薄吸附層的氮氧化物的穿透曲線。根據(jù)實驗時間描繪了在吸附劑層后面測量的總和參數(shù)NOx=NO2+NO的體積含量。NO2的進(jìn)口體積濃度始終保持在5ppm，而不提供NO。穿透曲線是重復(fù)實驗的平均值，誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。

　　如以下結(jié)果所示，為了評估活性炭的氮氧化物分離能力，有必要考慮吸附劑層下游存在的氮氧化物的體積分?jǐn)?shù)。即使只有NO2被供給到該系統(tǒng)中，物質(zhì)(如NO)的其它含氮氧化物被形成由于減少的NO2被活性炭吸附。NO2的還原到NO是非常不希望的，因為活性炭對NO的分離能力可以忽略不計。因此，將NO2還原為NO的活性低是用于NO2吸附的活性炭的理想特征。

　　在本研究中，研究了在室溫和極低濃度下氮氧化物吸附過程中三種不同活性炭的結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)的重要性。在不同的實驗中獲得的結(jié)果表明，這兩種性質(zhì)都是造成NO2吸收和還原成NO的原因。當(dāng)活性炭由H3PO4活化制備時，NO2的還原率非常高。該活性炭表面存在重要的還原性基團(tuán)(主要是酸酐基團(tuán))似乎是這種行為的起源。NO2的吸附歸因于存在基本的基團(tuán)，當(dāng)通過物理方式進(jìn)行激活時更多地存在。由于活性炭-H2O與活性炭-CO2相比具有更高的堿性基團(tuán)，其吸附容量更高。對于活性炭-CO2和活性炭-H2O的NO2的穿透曲線所觀察到的差異通過活性炭-H2O樣品的介孔結(jié)構(gòu)來解釋，其使得NO2在活性炭顆粒內(nèi)更好地擴(kuò)散，從而更好的被活性炭吸附。

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