活性炭微波處理后吸附苯蒸汽

　　揮發(fa)性(xing)有(you)機(ji)化(hua)合物(wu)(VOC)是(shi)(shi)多種(zhong)碳基化(hua)學物(wu)質，很(hen)容易(yi)(yi)蒸發(fa)到(dao)大(da)氣(qi)(qi)中。它們的(de)(de)(de)來(lai)源多種(zhong)多樣(yang)，包括工業過程(cheng)、燃燒、油漆、清潔(jie)產品和(he)溶劑(ji)。VOC對(dui)環(huan)境和(he)人類(lei)健康都有(you)重大(da)影響(xiang)。它們會(hui)導致地面臭(chou)氧和(he)空氣(qi)(qi)污染(ran)的(de)(de)(de)形成(cheng)，進而導致呼吸(xi)系統問(wen)題(ti)、頭痛和(he)長期健康問(wen)題(ti)。控制VOC排放(fang)對(dui)于環(huan)境保(bao)護和(he)空氣(qi)(qi)質量管理至(zhi)關重要(yao)。苯(ben)蒸氣(qi)(qi)是(shi)(shi)VOC的(de)(de)(de)一(yi)(yi)種(zhong)，是(shi)(shi)無色(se)芳香(xiang)烴苯(ben)的(de)(de)(de)氣(qi)(qi)態(tai)形式。它是(shi)(shi)從各(ge)種(zhong)工業過程(cheng)、車輛(liang)排放(fang)甚至(zhi)香(xiang)煙(yan)煙(yan)霧中釋放(fang)出來(lai)的(de)(de)(de)。即(ji)使(shi)苯(ben)蒸氣(qi)(qi)含量很(hen)低，也(ye)會(hui)造成(cheng)嚴重的(de)(de)(de)健康風(feng)險。吸(xi)附(fu)(fu)是(shi)(shi)一(yi)(yi)種(zhong)領先的(de)(de)(de)VOC減排技術，可有(you)效吸(xi)附(fu)(fu)VOC并(bing)將(jiang)其保(bao)留(liu)在固體表面上，防止其釋放(fang)。它對(dui)各(ge)種(zhong)吸(xi)附(fu)(fu)劑(ji)的(de)(de)(de)適應性(xing)和(he)易(yi)(yi)于實施(shi)確保(bao)了廣(guang)泛的(de)(de)(de)應用。由于可用于吸(xi)附(fu)(fu)的(de)(de)(de)表面積很(hen)大(da)，活性(xing)炭過濾等方法擅長去除一(yi)(yi)系列揮發(fa)性(xing)有(you)機(ji)化(hua)合物(wu)。

　　微波處理制造活性炭

　　活(huo)(huo)(huo)性炭(tan)的(de)(de)(de)制(zhi)(zhi)造遵循圖1中概述(shu)的(de)(de)(de)實(shi)驗設置。該過(guo)程(cheng)包(bao)括兩個步驟：微(wei)波處理(li)和馬(ma)弗爐加(jia)熱(re)。首(shou)先，將(jiang)原(yuan)材料研磨至(zhi)-500±350μm的(de)(de)(de)粒徑，用(yong)蒸(zheng)餾水(shui)清洗，并(bing)在(zai)80℃下干燥(zao)。在(zai)活(huo)(huo)(huo)性炭(tan)化(hua)學(xue)活(huo)(huo)(huo)化(hua)方法(fa)中，將(jiang)3克磨碎的(de)(de)(de)原(yuan)材料與溶(rong)解在(zai)2毫升(sheng)蒸(zheng)餾水(shui)中的(de)(de)(de)3克ZnCl2活(huo)(huo)(huo)化(hua)劑混合。將(jiang)活(huo)(huo)(huo)化(hua)劑浸(jin)漬(zi)到(dao)原(yuan)材料中是在(zai)微(wei)波環(huan)境中進行的(de)(de)(de)。在(zai)馬(ma)弗爐中的(de)(de)(de)化(hua)學(xue)活(huo)(huo)(huo)化(hua)過(guo)程(cheng)中，將(jiang)浸(jin)漬(zi)樣(yang)品(pin)在(zai)氮氣(N2)氣氛中在(zai)500℃的(de)(de)(de)活(huo)(huo)(huo)化(hua)溫(wen)度下加(jia)熱(re)45分鐘，從而制(zhi)(zhi)備活(huo)(huo)(huo)性炭(tan)。獲(huo)得(de)的(de)(de)(de)活(huo)(huo)(huo)性炭(tan)用(yong)0.5M/HCl洗滌，然(ran)后用(yong)熱(re)蒸(zheng)餾水(shui)沖洗，直至(zhi)pH值達(da)到(dao)6-7。在(zai)活(huo)(huo)(huo)性炭(tan)制(zhi)(zhi)造過(guo)程(cheng)中，評估了浸(jin)漬(zi)率、微(wei)波中不同(tong)氣體、微(wei)波功(gong)率和微(wei)波持續時間的(de)(de)(de)影響。然(ran)后將(jiang)在(zai)最(zui)佳條件下獲(huo)得(de)的(de)(de)(de)活(huo)(huo)(huo)性炭(tan)用(yong)于苯蒸(zheng)氣的(de)(de)(de)動態(tai)吸附。

　　圖(tu)1：微波處理活性(xing)炭制造實驗(yan)裝(zhuang)置示意圖(tu)。

　　活性炭的表征

　　微(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)處(chu)理后活(huo)(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)結(jie)構(gou)和(he)形貌特(te)征(zheng)(浸漬率=100%，微(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)環境中氣(qi)體(ti)為(wei)CO2，​​微(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)功率=500W，微(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)持續時(shi)間=10分鐘(zhong)，活(huo)(huo)(huo)(huo)化溫度=500℃，活(huo)(huo)(huo)(huo)化時(shi)間=45分鐘(zhong))通過SEM、FTIR和(he)BET分析進行評估(gu)。圖2顯示了原材(cai)(cai)料、無微(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)輔助生產的(de)(de)活(huo)(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)和(he)微(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)處(chu)理活(huo)(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)SEM圖像。如圖2a所(suo)示，原材(cai)(cai)料的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)通常具(ju)有低孔(kong)隙率和(he)低粗糙(cao)度的(de)(de)特(te)征(zheng)。相比(bi)(bi)之下，活(huo)(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)是多(duo)孔(kong)且更光(guang)滑(hua)的(de)(de)，表(biao)(biao)明(ming)(ming)(ming)與原材(cai)(cai)料相比(bi)(bi)，活(huo)(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)更多(duo)孔(kong)且更光(guang)滑(hua)(圖2c)。這(zhe)一(yi)觀察結(jie)果表(biao)(biao)明(ming)(ming)(ming)微(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)能量增(zeng)強了活(huo)(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)微(wei)(wei)(wei)孔(kong)結(jie)構(gou)。與活(huo)(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)相比(bi)(bi)，處(chu)理后的(de)(de)活(huo)(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)微(wei)(wei)(wei)孔(kong)結(jie)構(gou)更加明(ming)(ming)(ming)顯，表(biao)(biao)明(ming)(ming)(ming)活(huo)(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)具(ju)有豐(feng)富的(de)(de)微(wei)(wei)(wei)孔(kong)(圖2b，c)。

　　圖2：原材料(liao)(a)、活性(xing)炭(tan)(b)和處(chu)理(li)后的活性(xing)炭(tan)(c)的SEM照(zhao)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(tu)3：3D響應曲面圖(tu)說明(ming)了雙自變(bian)量(liang)(liang)的綜合影響(a)接觸(chu)持(chi)續時間與(yu)(yu)入(ru)口濃度(du)(du)(x1—x2)、(b)接觸(chu)持(chi)續時間與(yu)(yu)溫度(du)(du)(x1—x3)和(c)入(ru)口濃度(du)(du)與(yu)(yu)溫度(du)(du)(x2—x3)和(d)比較苯吸附(fu)(fu)的實際吸附(fu)(fu)容量(liang)(liang)(q)和預測(ce)吸附(fu)(fu)容量(liang)(liang)(q)的圖(tu)。

　　圖3說明(ming)了(le)操(cao)作變(bian)(bian)量(liang)，即接(jie)(jie)(jie)觸(chu)時間(jian)(jian)(x1)、入(ru)(ru)口濃(nong)度(du)(du)(du)(x2)和溫(wen)度(du)(du)(du)(x3)對(dui)苯(ben)(ben)吸(xi)(xi)附能力(li)(li)(q)的(de)(de)(de)影響。觀(guan)察(cha)圖3a，很明(ming)顯，在恒溫(wen)下，接(jie)(jie)(jie)觸(chu)時間(jian)(jian)或入(ru)(ru)口濃(nong)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)增(zeng)加獨立(li)地(di)導致(zhi)吸(xi)(xi)附容(rong)量(liang)的(de)(de)(de)增(zeng)加。進行的(de)(de)(de)方差分析(xi)特別強調(diao)(diao)接(jie)(jie)(jie)觸(chu)持續(xu)時間(jian)(jian)是該過(guo)程(cheng)中(zhong)更重要的(de)(de)(de)決定因(yin)素。此外(wai)，還發現入(ru)(ru)口濃(nong)度(du)(du)(du)將(jiang)吸(xi)(xi)附能力(li)(li)提高到約(yue)18ppm，超過(guo)此值沒有發生顯著(zhu)變(bian)(bian)化，這(zhe)表明(ming)吸(xi)(xi)附劑表面(mian)的(de)(de)(de)活性位(wei)點(dian)被苯(ben)(ben)蒸氣飽(bao)和。在圖3b中(zhong)，趨(qu)勢顯示苯(ben)(ben)吸(xi)(xi)附能力(li)(li)隨著(zhu)接(jie)(jie)(jie)觸(chu)時間(jian)(jian)的(de)(de)(de)延長(chang)而(er)(er)(er)增(zeng)加，但(dan)隨著(zhu)溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)(sheng)高而(er)(er)(er)下降。鑒于(yu)氣體吸(xi)(xi)附的(de)(de)(de)放熱性質，預計溫(wen)度(du)(du)(du)與吸(xi)(xi)附之間(jian)(jian)呈負相關。方差分析(xi)結(jie)果證實了(le)溫(wen)度(du)(du)(du)對(dui)過(guo)程(cheng)的(de)(de)(de)顯著(zhu)影響，類似(si)于(yu)接(jie)(jie)(jie)觸(chu)持續(xu)時間(jian)(jian)。圖3c顯示吸(xi)(xi)附能力(li)(li)隨著(zhu)溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)升(sheng)(sheng)高而(er)(er)(er)降低，而(er)(er)(er)入(ru)(ru)口濃(nong)度(du)(du)(du)沒有觀(guan)察(cha)到顯著(zhu)變(bian)(bian)化。這(zhe)些(xie)結(jie)果強調(diao)(diao)了(le)溫(wen)度(du)(du)(du)對(dui)入(ru)(ru)口濃(nong)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影響更大，這(zhe)與方差分析(xi)結(jie)果一致(zhi)。

　　活性炭的再生和再利用

　　吸(xi)(xi)附(fu)(fu)劑(ji)(ji)的(de)(de)(de)可(ke)重(zhong)(zhong)復使用(yong)性(xing)(xing)和(he)吸(xi)(xi)附(fu)(fu)穩定(ding)性(xing)(xing)在(zai)(zai)評估(gu)所(suo)開(kai)發方(fang)法(fa)的(de)(de)(de)實際(ji)適用(yong)性(xing)(xing)方(fang)面起著至關(guan)重(zhong)(zhong)要的(de)(de)(de)作用(yong)。事實上，吸(xi)(xi)附(fu)(fu)劑(ji)(ji)的(de)(de)(de)可(ke)重(zhong)(zhong)復使用(yong)性(xing)(xing)能是(shi)(shi)實際(ji)應用(yong)的(de)(de)(de)首要標準(zhun)，并(bing)影響吸(xi)(xi)附(fu)(fu)過(guo)(guo)程的(de)(de)(de)總體成(cheng)本。活性(xing)(xing)炭(tan)苯蒸(zheng)汽吸(xi)(xi)附(fu)(fu)的(de)(de)(de)再利用(yong)效率是(shi)(shi)在(zai)(zai)五個連(lian)續的(de)(de)(de)回(hui)收(shou)循環(huan)后(hou)確定(ding)的(de)(de)(de)。如(ru)圖4所(suo)示，經過(guo)(guo)五次連(lian)續回(hui)收(shou)過(guo)(guo)程后(hou)，活性(xing)(xing)炭(tan)苯蒸(zheng)氣(qi)的(de)(de)(de)再利用(yong)效率為86.54%。強大的(de)(de)(de)可(ke)重(zhong)(zhong)復使用(yong)性(xing)(xing)和(he)吸(xi)(xi)附(fu)(fu)穩定(ding)性(xing)(xing)表(biao)明活性(xing)(xing)炭(tan)吸(xi)(xi)附(fu)(fu)劑(ji)(ji)和(he)苯吸(xi)(xi)附(fu)(fu)物(wu)之(zhi)間(jian)存在(zai)(zai)范(fan)德華(hua)力(li)或(huo)π-π相(xiang)互作用(yong)。相(xiang)反，不完(wan)全的(de)(de)(de)再生(sheng)過(guo)(guo)程可(ke)歸因于吸(xi)(xi)附(fu)(fu)表(biao)面上永久鍵的(de)(de)(de)形成(cheng)，導致吸(xi)(xi)附(fu)(fu)基團的(de)(de)(de)不可(ke)逆(ni)轉化。換句(ju)話說，一(yi)些在(zai)(zai)再生(sheng)過(guo)(guo)程中未解吸(xi)(xi)的(de)(de)(de)化學結合吸(xi)(xi)附(fu)(fu)物(wu)可(ke)能會(hui)堵(du)塞孔隙，導致殘留物(wu)形成(cheng)。

　　圖4：活性(xing)炭(tan)苯蒸汽吸附(fu)的可重復使用性(xing)和吸附(fu)穩定性(xing)。

　　在(zai)活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭微波處理后吸附(fu)(fu)苯(ben)蒸汽(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研究中(zhong)(zhong)，使(shi)用ZnCl2活(huo)(huo)(huo)化(hua)(hua)劑成功地制備了(le)(le)(le)(le)活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭，并(bing)證明了(le)(le)(le)(le)其(qi)消(xiao)除苯(ben)蒸氣(qi)(VOC)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)有效(xiao)(xiao)性(xing)(xing)(xing)。制造過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)涉(she)及對各種因素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)綜合研究，包括浸(jin)漬(zi)比(bi)、微波環境中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氣(qi)體、微波功率、微波持續時(shi)間(jian)、活(huo)(huo)(huo)化(hua)(hua)溫度和(he)活(huo)(huo)(huo)化(hua)(hua)時(shi)間(jian)。最佳(jia)條件產生了(le)(le)(le)(le)1250mg/g的(de)(de)(de)(de)(de)(de)顯(xian)著碘值。通過(guo)SEM、FTIR和(he)BET分(fen)析對優化(hua)(hua)后的(de)(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結構和(he)形態特(te)性(xing)(xing)(xing)進行了(le)(le)(le)(le)全面評估。1200m2/g的(de)(de)(de)(de)(de)(de)顯(xian)著BET表面積凸顯(xian)了(le)(le)(le)(le)所開發(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭作為吸附(fu)(fu)劑的(de)(de)(de)(de)(de)(de)有效(xiao)(xiao)性(xing)(xing)(xing)。苯(ben)在(zai)優化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)態吸附(fu)(fu)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)，在(zai)接觸時(shi)間(jian)為79分(fen)鐘、入口濃度為17.50ppm時(shi)，最大(da)吸附(fu)(fu)容(rong)量(liang)為568mg/g，溫度為26℃。結合準(zhun)二(er)級動(dong)力學模型和(he)Langmuir、Freundlich和(he)Dubinin-Radushkevich等溫線模型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結果，活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭對苯(ben)蒸氣(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)吸附(fu)(fu)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)同(tong)時(shi)存(cun)在(zai)化(hua)(hua)學吸附(fu)(fu)和(he)物(wu)理吸附(fu)(fu)。經過(guo)連續五(wu)次回收過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)后，活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭對苯(ben)蒸汽(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)回收效(xiao)(xiao)率達(da)到86.54%。這(zhe)些結果強調了(le)(le)(le)(le)活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭作為各種工業(ye)(ye)應用中(zhong)(zhong)VOC處理候選者的(de)(de)(de)(de)(de)(de)巨大(da)潛力，突(tu)出(chu)了(le)(le)(le)(le)其(qi)在(zai)吸附(fu)(fu)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率和(he)多功能(neng)性(xing)(xing)(xing)。活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭的(de)(de)(de)(de)(de)(de)成功制造和(he)優化(hua)(hua)使(shi)其(qi)對環境修復(fu)和(he)工業(ye)(ye)污染控制領域做(zuo)出(chu)了(le)(le)(le)(le)寶貴的(de)(de)(de)(de)(de)(de)貢獻(xian)。

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