活性炭吸附去除揮發性甲苯

　　從空氣中去除揮發性有機化合物(VOC)在工業中非常重要。化學和石油工業中使用的過程所排放的典型VOC包含芳烴、醚、醛、鹵化化合物等。甲苯是各種工業過程排放的最重要的VOC之一。它已廣泛用作制造油漆、油墨、橡膠、粘合劑和各種其他化學物質的代表性溶劑。甲苯通過蒸發、泄漏和廢氣排放到大氣中。活性炭吸附是一種比較好的VOC去除方法，因為它具有低能耗、成本效益和高VOC去除能力，即使在低VOC濃度下也是如此。在本研究中，從植物殼中制備活性炭以生產用于去除氣態甲苯的吸附劑。為了引入甲苯吸附所需的孔，應用了碳酸鉀的化學活化。這項工作的主要目的是評估化學活化對活性炭的氣態甲苯去除能力的影響。比較了使用和不使用K2CO3活化制備的吸附劑的甲苯去除能力。

　　活性炭材料的活化與原材料

　　使用和不用K2CO3浸漬制備的原材料末均通過加熱轉化為黑色碳質固體。然而，產品收率有所不同。對于未活化和K2CO3浸漬的外殼粉末，計算的產率分別為26%和23% 。活性炭的低收率是常見的，例如，通過氣體活化獲得的活性炭的產率約為10%。這些低收率的原因是由于碳與各種反應物(例如H2O、O2、CO2、K2O、K2CO3等)的氣化。當原材料在K2CO3存在下碳化時，發生K2CO3通過碳的還原，K2CO3與碳反應生成金屬鉀、CO和CO2。因此，損失了一些碳質產品。當K2CO3浸漬產品和用于碳化的石英管的內壁與水接觸時觀察到燃燒。這種行為表明通過碳還原K2CO3形成金屬鉀。

　　圖1：未活化的活性炭原材料(A)和K2CO3活化的活性炭(B)的照片。

　　圖1顯示了1g未活化和K2CO3活化吸附劑樣品的照片。它們的體積密度明顯不同。這種差異表明K2CO3活化有效地將孔引入吸附劑中。這種通過K2CO3活化導致的堆積密度顯著降低是由K2CO3本身的熱分解或通過碳的還原引起的。這兩個反應都會生成CO和CO2，并且它們有效地產生了孔隙，如本文后面所示。這種孔的形成導致表觀堆積密度的降低。吸附劑的表觀堆積密度根據重量(1g)與體積比粗略估計，該比是根據試管中顆粒層的高度和直徑計算的。

　　圖2：未活化吸附劑(A)和活性炭(B)的SEM圖像。

　　未活化和K2CO3活化活性炭的SEM圖像在圖2顯示。這兩種吸附劑的表面形態完全不同。未活化吸附劑的單個顆粒具有相對光滑的表面(圖2A)，而活性炭的顆粒具有高度多孔性(圖2B)。該結果表明活化劑活化后活性炭表面上產生了很多孔。從圖2B中可以看出，產生的孔主要分為中孔和/或大孔。

　　從空氣中去除氣態甲苯

　　未活化和活性炭的甲苯濃度與時間的關系在圖3a顯示。初始濃度約為230ppm。當吸附劑與含有甲苯的空氣接觸時，甲苯濃度降低。觀察到的濃度變化的比較揭示了未活化和活性炭之間的明顯差異。對于未活化的吸附劑，濃度隨時間降低，但在大約180-170ppm不變。該結果表明，在暴露約60分鐘后吸附的甲苯量變得恒定。相比之下，對于K2CO3-活化的吸附劑，甲苯濃度的降低更為顯著，并且在整個觀察過程中(0-120分鐘)濃度繼續降低。該結果表明在觀察過程中甲苯吸附沒有達到平衡;在平衡狀態下，吸附在活性炭上的甲苯量可能比未活化吸附劑上的吸附量大得多。因此，活性炭的甲苯吸附能力通過用K2CO3活化而提高。甲苯吸附能力的這種增加與上述的SSA增加和通過K2CO3活化引入中孔相一致。

　　為了研究在此處使用的條件下K2CO3活化的活性炭是否可以完全去除甲苯，觀察甲苯濃度24小時。圖3b顯示了24小時觀察期間甲苯濃度與時間的關系。活性炭顯然能夠從空氣中吸附大量氣態甲苯。吸附24小時后的最終甲苯濃度非常低，僅檢測到痕量的甲苯。相比之下，當使用未活化的吸附劑時，即使在吸附24小時后，仍有相當數量的甲苯(160ppm)。

　　圖3：在(A)120分鐘和(B)24小時觀察未活化吸附劑(紅色)和活性炭(紫色)期間，甲苯濃度隨時間的變化。

　　使用的初始甲苯濃度(200–240ppm)遠高于美國政府工業衛生學家會議(20ppm)設定的職業閾值限值。在此處使用的實驗條件下，活性炭能夠將甲苯濃度降低至閾限值以下。這些結果表明K2CO3活化可有效制備用于徹底去除揮發性甲苯的吸附劑。在本研究中，使用0.2g吸附劑來跟蹤甲苯濃度的時間過程。最大甲苯吸附容量沒有根據目前的觀察立即確定，因為在目前條件下達到的甲苯濃度幾乎為零。

　　活性炭吸附去除揮發性甲苯，比較了活化后和未活化活性炭的甲苯吸附能力。活化后的活性炭比未活化的吸附劑吸附更多的甲苯。甲苯去除能力增強的原因是未活化吸附劑和K2CO3活化吸附劑之間的比表面積和中孔結構的差異。這些結果表明，通過K2CO3化學活化可提高活性炭的甲苯吸附能力。在本案例中，活性炭能夠在24小時后將相對較高的初始甲苯濃度(220ppm)降低到幾乎為零。在目前的情況下，甲苯的主要吸附機制是甲苯分子在活性炭表面的簡單物理吸附。在這種情況下，甲苯和活性炭表面之間沒有發生化學反應。因此，除甲苯之外的吸附物，如苯、二甲苯和水蒸氣，也可以競爭性地吸附在本工作制備的活性炭上。

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