活性炭微波處理后吸附苯蒸汽

　　揮發性有機化合物(VOC)是多種碳基化學物質，很容易蒸發到大氣中。它們的來源多種多樣，包括工業過程、燃燒、油漆、清潔產品和溶劑。VOC對環境和人類健康都有重大影響。它們會導致地面臭氧和空氣污染的形成，進而導致呼吸系統問題、頭痛和長期健康問題。控制VOC排放對于環境保護和空氣質量管理至關重要。苯蒸氣是VOC的一種，是無色芳香烴苯的氣態形式。它是從各種工業過程、車輛排放甚至香煙煙霧中釋放出來的。即使苯蒸氣含量很低，也會造成嚴重的健康風險。吸附是一種領先的VOC減排技術，可有效吸附VOC并將其保留在固體表面上，防止其釋放。它對各種吸附劑的適應性和易于實施確保了廣泛的應用。由于可用于吸附的表面積很大，活性炭過濾等方法擅長去除一系列揮發性有機化合物。

　　微波處理制造活性炭

　　活性炭的制造遵循圖1中概述的實驗設置。該過程包括兩個步驟：微波處理和馬弗爐加熱。首先，將原材料研磨至-500±350μm的粒徑，用蒸餾水清洗，并在80℃下干燥。在活性炭化學活化方法中，將3克磨碎的原材料與溶解在2毫升蒸餾水中的3克ZnCl2活化劑混合。將活化劑浸漬到原材料中是在微波環境中進行的。在馬弗爐中的化學活化過程中，將浸漬樣品在氮氣(N2)氣氛中在500℃的活化溫度下加熱45分鐘，從而制備活性炭。獲得的活性炭用0.5M/HCl洗滌，然后用熱蒸餾水沖洗，直至pH值達到6-7。在活性炭制造過程中，評估了浸漬率、微波中不同氣體、微波功率和微波持續時間的影響。然后將在最佳條件下獲得的活性炭用于苯蒸氣的動態吸附。

　　圖1：微波處理活性炭制造實驗裝置示意圖。

　　活性炭的表征

　　微波處理后活性炭的結構和形貌特征(浸漬率=100%，微波環境中氣體為CO2，​​微波功率=500W，微波持續時間=10分鐘，活化溫度=500℃，活化時間=45分鐘)通過SEM、FTIR和BET分析進行評估。圖2顯示了原材料、無微波輔助生產的活性炭和微波處理活性炭的SEM圖像。如圖2a所示，原材料的表面通常具有低孔隙率和低粗糙度的特征。相比之下，活性炭的表面是多孔且更光滑的，表明與原材料相比，活性炭的表面更多孔且更光滑(圖2c)。這一觀察結果表明微波能量增強了活性炭的微孔結構。與活性炭相比，處理后的活性炭的微孔結構更加明顯，表明活性炭具有豐富的微孔(圖2b，c)。

　　圖2：原材料(a)、活性炭(b)和處理后的活性炭(c)的SEM照片。

　　苯吸附的模型驗證、操作因素的影響和優化研究

　　在此階段，我們利用RSM中的Box-Behnken實驗設計方法來實驗設計和優化影響苯吸附過程的操作因素，例如接觸持續時間、入口濃度和溫度。使用提出的二級二次回歸模型對苯吸附進行方差分析。該分析通過評估各種參數的充分性來評估實驗數據和預測模型之間的一致性。計算出的臨界F值為983.69，表明該模型相對于實驗結果具有實質性的代表性和有效性。此外，偶然獲得如此顯著F值的概率僅為0.01%，增強了模型的可靠性。P值用于指示模型項的顯著性。低于0.0500的值表示模型項的重要性，而高于0.1000的值表示不顯著。方差分析結果顯示，接觸時間的F值最高(6255.62)，P值較低(<0.0001)，證實了其作為苯吸附最重要影響因素的顯著地位。理想情況下，在開發的模型中，預測的R2和調整的R2值之間的差異應小于0.2。得到的苯吸附預測R2值為0.988和調整后的R2值為0.998，通過實驗數據驗證了模型的適用性。此外，為了評估模型的可靠性，對苯吸附能力(q)的實際值和預測值進行了比較(圖3d)。結果顯示這些值之間非常一致，證實了所提出的苯吸附模型的準確性。

　　圖3：3D響應曲面圖說明了雙自變量的綜合影響(a)接觸持續時間與入口濃度(x1—x2)、(b)接觸持續時間與溫度(x1—x3)和(c)入口濃度與溫度(x2—x3)和(d)比較苯吸附的實際吸附容量(q)和預測吸附容量(q)的圖。

　　圖3說明了操作變量，即接觸時間(x1)、入口濃度(x2)和溫度(x3)對苯吸附能力(q)的影響。觀察圖3a，很明顯，在恒溫下，接觸時間或入口濃度的增加獨立地導致吸附容量的增加。進行的方差分析特別強調接觸持續時間是該過程中更重要的決定因素。此外，還發現入口濃度將吸附能力提高到約18ppm，超過此值沒有發生顯著變化，這表明吸附劑表面的活性位點被苯蒸氣飽和。在圖3b中，趨勢顯示苯吸附能力隨著接觸時間的延長而增加，但隨著溫度的升高而下降。鑒于氣體吸附的放熱性質，預計溫度與吸附之間呈負相關。方差分析結果證實了溫度對過程的顯著影響，類似于接觸持續時間。圖3c顯示吸附能力隨著溫度的升高而降低，而入口濃度沒有觀察到顯著變化。這些結果強調了溫度對入口濃度的影響更大，這與方差分析結果一致。

　　活性炭的再生和再利用

　　吸附劑的可重復使用性和吸附穩定性在評估所開發方法的實際適用性方面起著至關重要的作用。事實上，吸附劑的可重復使用性能是實際應用的首要標準，并影響吸附過程的總體成本。活性炭苯蒸汽吸附的再利用效率是在五個連續的回收循環后確定的。如圖4所示，經過五次連續回收過程后，活性炭苯蒸氣的再利用效率為86.54%。強大的可重復使用性和吸附穩定性表明活性炭吸附劑和苯吸附物之間存在范德華力或π-π相互作用。相反，不完全的再生過程可歸因于吸附表面上永久鍵的形成，導致吸附基團的不可逆轉化。換句話說，一些在再生過程中未解吸的化學結合吸附物可能會堵塞孔隙，導致殘留物形成。

　　圖4：活性炭苯蒸汽吸附的可重復使用性和吸附穩定性。

　　在活性炭微波處理后吸附苯蒸汽的研究中，使用ZnCl2活化劑成功地制備了活性炭，并證明了其消除苯蒸氣(VOC)的有效性。制造過程涉及對各種因素的綜合研究，包括浸漬比、微波環境中的氣體、微波功率、微波持續時間、活化溫度和活化時間。最佳條件產生了1250mg/g的顯著碘值。通過SEM、FTIR和BET分析對優化后的活性炭的結構和形態特性進行了全面評估。1200m2/g的顯著BET表面積凸顯了所開發的活性炭作為吸附劑的有效性。苯在優化的活性炭上的動態吸附過程，在接觸時間為79分鐘、入口濃度為17.50ppm時，最大吸附容量為568mg/g，溫度為26℃。結合準二級動力學模型和Langmuir、Freundlich和Dubinin-Radushkevich等溫線模型的結果，活性炭對苯蒸氣的吸附過程中同時存在化學吸附和物理吸附。經過連續五次回收過程后，活性炭對苯蒸汽的回收效率達到86.54%。這些結果強調了活性炭作為各種工業應用中VOC處理候選者的巨大潛力，突出了其在吸附過程中的效率和多功能性。活性炭的成功制造和優化使其對環境修復和工業污染控制領域做出了寶貴的貢獻。

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