負(fù)Cu活性炭對氯氣的吸附性能研究

王占英

摘 要：活性炭作為一種多孔物質(zhì)，具有很大的比表面積和較強(qiáng)的吸附性能，其廣泛應(yīng)用于吸附劑和催化劑的載體。本文采用浸漬法制得負(fù)Cu活性炭（用Cu/AC表示），并考察了其對氯氣吸附性能的影響。利用XRD、FTIR對吸附前后的Cu/AC進(jìn)行表征分析。研究表明，負(fù)載Cu后對氯氣吸附性能有顯著地提高，且經(jīng)多次吸附后，結(jié)構(gòu)骨架依然存在，穩(wěn)定性較好。在0.22MPa、30℃時(shí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的Cu/AC最大吸附量為32.73%。

關(guān)鍵詞：Cu/AC；氯氣；吸附

中圖分類號(hào)：TQ424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

含氯氣的尾氣處理日益成為工業(yè)生產(chǎn)中的一大問題。目前常見的含氯氣尾氣回收大多是采用堿液、水、有機(jī)溶劑吸收或者燃燒生產(chǎn)鹽酸等方法，這些方法成本高，而且會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。

活性炭作為有序多孔炭材料，具有相對大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔徑，而且具有良好的吸附性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，已經(jīng)在氣體吸附儲(chǔ)存方面得到了較廣泛的應(yīng)用。王慧娟等采用P-C-T氯氣吸附裝置對活性炭這種材料的氯氣吸附性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)活性炭對氯氣有一定的吸附量，而且能進(jìn)行多次吸附、脫附、再吸附，吸附量沒有明顯的下降。李月生等通過實(shí)驗(yàn)確定采用等量浸漬法， 以活性炭為載體、可溶性鹽為活性組分制備氯氣吸附劑。測得該吸附劑的吸附容量可達(dá)到7%～12%。然而目前使用的吸附劑對氯氣吸附效率較低，因此探索新的高效吸附劑是一項(xiàng)很有意義的工作。本實(shí)驗(yàn)使用浸漬法在活性炭（AC）上負(fù)載不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu，并研究了在一定條件下它們對氯氣吸附的性能。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

活性炭（天津登峰試劑廠，40-60目）；CuCl（A.R.級，天津北辰試劑廠）；HCl（A.R.級，太化集團(tuán)）；實(shí)驗(yàn)所用Cl2（99.99%工業(yè)級，太化集團(tuán)）

P-C-T氯氣吸附儀器（自制）；Rigaku D/2500 X光衍射儀， 銅K輻射， 工作電壓40 kV， 工作電流100mA， 日本理學(xué)電機(jī)。傅立葉紅外光譜儀，F(xiàn)TIR-8400S 型，日本島津公司。

1.2 催化劑的制備

1.2.1 載體的預(yù)處理

將6g活性炭加入到40ml的2mol/L HCL溶液的圓底燒瓶中，在加熱溫度為200℃，攪拌速度每秒2.5轉(zhuǎn)的條件下進(jìn)行回流6h。過濾后放入110℃烘箱干燥12h取出備用。改性好的活性炭記作AC-HCl。

1.2.2 Cu的負(fù)載

等體積法將上述處理好的AC-HCl浸漬到含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1%、3%、5%、7%、9%）的CuCl濃氨水溶液中，室溫下攪拌6h，洗滌后放入120℃烘箱內(nèi)干燥活化。將干燥好的活性炭在350℃氫氣氛圍下還原4-6h，得到Cu/AC。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)方法

如圖1所示為本實(shí)驗(yàn)氯氣吸附測試使用P-C-T氯氣專用吸附裝置。將樣品裝入測試儀器的吸附管中。吸附管升溫至150℃，恒溫連續(xù)抽真空活化3 h，冷卻至室溫。將冷卻后的吸附管放進(jìn)恒溫容器中，在一定溫度下向系統(tǒng)中充入氯至所需壓力進(jìn)行氯氣吸附。當(dāng)吸附達(dá)到飽和時(shí)，即壓力表讀數(shù)穩(wěn)定且不再發(fā)生改變時(shí)，記錄數(shù)據(jù)。逐漸降低氯氣壓力并持續(xù)一段時(shí)間至壓力表讀數(shù)不發(fā)生變化，滴定放出氯氣的量，結(jié)合壓力表讀數(shù)計(jì)算每個(gè)平衡壓力下的儲(chǔ)氯量。根據(jù)壓力和吸附量作等溫吸附曲線圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 活性炭負(fù)載Cu對氯氣吸附性能的影響

圖2為30℃時(shí)活性炭負(fù)載Cu前后對氯氣吸附量隨壓力變化曲線圖，負(fù)載量為5%。

由圖2可知，負(fù)銅前后活性炭對氯氣的吸附基本符合朗格繆爾吸附等溫線， 屬于物理吸附。負(fù)載Cu后的活性炭對氯氣的吸附性能較活性炭原樣樣比有較明顯的提高。在壓力為0.28MPa，溫度為30℃時(shí)活性炭原樣吸附量為29.47%，而負(fù)銅之后的吸附量上升至32.73%。其原因可能有兩方面，一方面是由于金屬催化劑表面具有聚集氯氣的作用，這種作用在一定范圍內(nèi)富集的氯氣量大于占有相同體積活性炭孔容時(shí)的活性炭對氯氣的吸附，表現(xiàn)出的氯氣吸附效果優(yōu)于原始活性炭對氯氣的吸附效果。另一方面可能是負(fù)載催化劑之前的HCl處理去除了活性炭孔道內(nèi)的雜質(zhì)，增大了其比表面積，處理之后的活性炭表現(xiàn)出更好的吸附能力。

2.2 不同負(fù)載量的Cu/AC對氯氣的吸附性能的影響

圖3為變壓下負(fù)載不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu/AC在30℃時(shí)的氯氣吸附特性曲線。圖3中可以看出，等壓下隨著負(fù)載量的增加，Cu/AC吸附氯氣的量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢?；钚蕴控?fù)載金屬銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%左右時(shí)的吸附效果最佳。一定范圍內(nèi)，隨著金屬負(fù)載量的增大，金屬富集氯氣的能力明顯增強(qiáng)。而當(dāng)活性炭負(fù)載金屬催化劑量達(dá)到一定值后，銅顆粒將會(huì)積聚并占用較多的活性炭體積的孔容，影響了活性炭自身的吸附能力。而金屬催化劑本身是無孔的結(jié)構(gòu)，比表面積很小，負(fù)載量過大后堵塞了活性炭的孔道，所以吸附量會(huì)有所減小。由圖可知負(fù)銅活性炭最佳吸附氯氣的臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%左右。

2.3 多次吸附對Cu/AC的氯氣吸附量的影響

圖4中的（1）、（2）、（3）、（4）和（5）分別代表活性炭負(fù)載金屬銅5%在30℃條件下吸附氯氣1至5次的等溫變壓曲線。表1顯示出5次吸附量的具體數(shù)值?？梢钥闯?，在溫度30℃、壓力0.28MPa時(shí)Cu/AC對氯氣的吸附量最大。吸附氯氣1次、2次、3次、4次和5次后，活性炭負(fù)載金屬銅5%的氯氣吸附量分別為32.73%、32.30%、31.90%、31.83%和29.83%。吸附前后吸附量并沒有明顯降低。所以Cu/AC在五次吸附后仍表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的狀態(tài)，也就是說氯氣的多次吸附?jīng)]有破壞活性炭的結(jié)構(gòu)，也沒有造成負(fù)載金屬催化劑的大量損失，所以活性炭負(fù)載金屬催化劑在氯氣吸附方面可以被循環(huán)利用。

2.4 XRD圖譜分析

圖5中a、b分別代表負(fù)載含量5%的Cu/AC吸附氯氣五次前后XRD圖譜。圖5上銅在2θ=43.3和50.4左右時(shí)出現(xiàn)特征峰，與標(biāo)準(zhǔn)XRD圖譜中銅的特征峰位置基本對應(yīng)。負(fù)銅活性炭經(jīng)五次氯氣吸附后的峰強(qiáng)度有所下降，而峰位置基本沒有變化，峰強(qiáng)度變化也不大。說明活性炭的整體骨架結(jié)構(gòu)和無定形結(jié)構(gòu)基本未被破壞。經(jīng)氯氣吸附后的活性炭負(fù)載銅催化劑的結(jié)構(gòu)并未塌陷，因此活性炭負(fù)載金屬催化劑銅可以被用來吸附氯氣。

2.5 紅外光譜分析

圖6中a、b分別代表負(fù)載量5%的Cu/AC吸附五次氯氣前后紅外圖譜。圖6中比較明顯的特特征峰有以下幾處：3300-3600cm-1之間的特征峰是由于吸附水伸縮振動(dòng)或者炭材料表面酚羥基所引起的吸收峰；1700-1500cm-1之間的特征峰是由于不飽和鍵C=C的伸縮振動(dòng)引起的；1200-1000cm-1之間的特征峰是由于C-O-C的不對稱伸縮振動(dòng)引起的。

圖6中a曲線和b曲線相比，可以看出，吸附氯氣之后載銅活性炭的特征吸收峰位置未發(fā)生遷移，只是強(qiáng)度有所減小，但并不明顯。這表明Cu/C催化劑經(jīng)過五次氯氣吸附后結(jié)構(gòu)仍很穩(wěn)定，表面官能團(tuán)未產(chǎn)生明顯變化，負(fù)銅活性炭可以用作氯氣吸附劑。

結(jié)語

本文研究了負(fù)Cu活性炭對氯氣吸附性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：負(fù)載Cu后的活性炭對氯氣的吸附性能較活性炭原樣相比有較明顯的提高。30℃時(shí)，負(fù)載Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%左右時(shí)的吸附效果最佳，最大吸附量可達(dá)32.73%。并且經(jīng)過多次吸附后結(jié)構(gòu)仍未坍塌，其基本骨架結(jié)構(gòu)依然存在。利用負(fù)銅活性炭吸附處理氯氣將具有廣闊的發(fā)展前景。

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