微波及堿性溶液改性活性炭對丙酮吸附性能的影響

梁鑫，李立清，劉崢，李海龍，馬衛(wèi)武，姚小龍

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微波及堿性溶液改性活性炭對丙酮吸附性能的影響

梁鑫，李立清，劉崢，李海龍，馬衛(wèi)武，姚小龍

(中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙，410083)

對商業(yè)活性炭分別經(jīng)過600，700和800 ℃微波輻照加熱處理，以及NaOH，Na2CO3和NaHCO3溶液浸漬處理。采用比表面積及孔徑分析儀、Boehm滴定、傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(FTIR) 對活性炭的物化性質(zhì)進(jìn)行表征，并且在10 ℃以丙酮為吸附質(zhì)進(jìn)行固定床吸附實驗。研究結(jié)果表明：微波改性后，活性炭的比表面積、總孔容小幅度減小，但微孔比表面積顯著增大；隨著溫度升高，表面酸性基團(tuán)大量分解，堿性基團(tuán)逐漸形成；堿性溶液改性后，比表面積和孔容均減小；改性溶液堿性越強，表面堿性基團(tuán)總量越大，酸性基團(tuán)完全被去除；丙酮吸附量與活性炭微孔孔容具有良好的線性相關(guān)性，吸附量與活性炭表面堿性基團(tuán)的含量成反比；Langmuir方程和Freundlich方程均能較好地描述丙酮在活性炭上的吸附，Langmuir方程更加適合；吸附能與活性炭表面含氮官能團(tuán)總量成正比。

改性活性炭；吸附；丙酮；微波；堿性溶液

丙酮是常見于醫(yī)藥、塑料、橡膠、制革、油漆等化工生產(chǎn)過程的揮發(fā)性有機化合物(VOCs)之一，在常溫下極易揮發(fā)，人體長時間接觸會引起急、慢性中毒。由于VOCs在大氣中廣泛存在以及對人體的有害性，對其進(jìn)行控制引起了廣泛關(guān)注?；钚蕴?AC)是一種具有很大比表面積的多孔吸附材料，被廣泛應(yīng)用于VOCs的去除[1?2]?；钚蕴康奈锘再|(zhì)對其吸附性能有很大的影響，因此，通過改性提高活性炭的吸附性能受到很多學(xué)者的關(guān)注。熱處理和化學(xué)處理能改變活性炭的表面化學(xué)特性[3]，同時也是有效調(diào)節(jié)孔結(jié)構(gòu)的方法，因此被廣泛利用。微波加熱屬于內(nèi)加熱，升溫迅速，微波場中無溫度梯度存在，受熱均勻；微波能量靠偶極子轉(zhuǎn)動和離子傳導(dǎo)，加熱效率高，在活性炭熱改性研究中逐漸得到重視。很多通過微波改性使得活性炭對某種污染物吸附量增大的研究已被報道[4?5]。同時也有學(xué)者對比研究了微波加熱和傳統(tǒng)加熱對活性炭吸附行為的影響，發(fā)現(xiàn)微波改性活性炭具有更大的微孔孔容及更大的吸附容量[6]。利用堿性溶液改性活性炭的研究較少[7]，但堿性溶液改性活性炭能影響活性炭的物化性質(zhì)，也是一種可行的方法。然而，很少有學(xué)者對比研究高溫微波輻照改性和堿性溶液浸漬改性對活性炭吸附VOCs的影響。為此，本文作者選用商業(yè)煤基顆?；钚蕴繛樵?，分別采用不同溫度下微波輻照改性1 mol/L NaOH，Na2CO3和NaHCO3溶液浸漬改性，借助比表面積及孔徑分析儀、Boehm滴定、FTIR對活性炭的物化性質(zhì)進(jìn)行表征，進(jìn)行丙酮的固定床吸附實驗，從多種角度探討2種改性方法對活性炭本身及其吸附丙酮性能的影響，以便為活性炭在VOCs控制領(lǐng)域的多功能設(shè)計及新性能開發(fā)提供參考。

1 實驗

1.1 活性炭改性

1.1.1 微波輻照改性

稱取50 g商業(yè)活性炭(RS-5型，河南長葛利民活性炭有限公司)進(jìn)行預(yù)處理：將活性炭置燒杯中采用電子萬用爐用水煮沸30 min(煮沸)；煮沸后的活性炭用去離子水洗滌4~5次(漂洗)；漂洗后的活性炭置真空干燥箱(DZF型，北京市永光明醫(yī)療儀器廠)中于 110 ℃干燥12 h(烘干)。所得樣品為未改性活性炭，記為AC-1。稱取10 g AC-1置于微波高溫?zé)Y(jié)爐(WZ3/2.45型，長沙隆泰科技有限公司)中，在流量為600 mL/min的高純度N2氣氛下進(jìn)行微波輻照，微波頻率為2.45 GHz，在600，700和800 ℃這3個溫度點下加熱30 min，冷卻后在真空干燥箱中于恒溫 110 ℃干燥24 h，所得樣品分別記為AC-600，AC-700和AC-800。

1.1.2 堿性溶液改性

分別利用1 mol/L NaOH，Na2CO3和NaHCO3200 mL浸泡10 g AC-1，將裝有堿性溶液和活性炭的碘量瓶在集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101S型，河南省予華儀器有限公司)中水浴恒溫50 ℃下處理12 h，隨后用去離子水漂洗4~5次，然后在真空干燥箱中恒溫110 ℃下干燥24 h，所得樣品分別記為AC-NaOH，AC-Na2CO3和AC-NaHCO3。

1.2 活性炭測試

1.2.1 孔結(jié)構(gòu)表征

活性炭樣品的比表面積及孔結(jié)構(gòu)參數(shù)采用低溫氮氣吸附法進(jìn)行測定。利用比表面積及孔徑分析儀SA3100 (BECKMAN COULTER, USA) 測定77 K下高純N2在活性炭上的吸附等溫線。BET比表面積BET由標(biāo)準(zhǔn)BET法得到；微孔孔容-micro和微孔比表面積micro由t-Plot方法計算得到；中孔孔容meso和大孔孔容macro基于BJH法計算得到，總孔容total由相對壓力為0.981 4時的液氮吸附量換算成液氮體積得到；孔徑分布是基于BJH方法通過分析吸附或脫附等溫線分支得到。

1.2.2 表面官能團(tuán)表征

利用Boehm滴定定量測得活性炭表面總酸性基團(tuán)、總堿性基團(tuán)、羧基以及酚羥基的含量；采用傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀NEXUS670 (Nicolet, USA) 表征活性炭表面特定結(jié)構(gòu)的官能團(tuán)；通過EDAX元素分析儀測試AC-1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3 吸附實驗

固定床吸附實驗裝置如圖1所示，該裝置由配氣系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、固定吸附床和測試系統(tǒng)組成。室內(nèi)空氣經(jīng)過硅膠干燥器干燥后，一部分直接進(jìn)入混合器，另一部分穿過微型噴淋區(qū)和恒溫水箱恒溫區(qū)(DC1015型，上海天平儀器公司)得到飽和有機蒸汽。將干燥空氣和飽和有機蒸汽在混合器中混合，調(diào)節(jié)閥門改變有機氣體濃度，混合氣體用真空泵吸取并泵入固定床進(jìn)行吸附，尾氣經(jīng)凈化后排放。固定床吸附柱進(jìn)氣質(zhì)量濃度和出氣質(zhì)量濃度由氣相色譜儀(SP-6890型，山東魯南瑞虹化工儀器公司)測定，待出氣質(zhì)量濃度與進(jìn)氣質(zhì)量濃度相同并保持30 min左右時，則認(rèn)為吸附已達(dá)平衡[8]。在每次實驗中，將4 g活性炭樣置于內(nèi)徑為1.1 cm石英管吸附柱，吸附溫度用恒溫水箱保持在 10 ℃。AC-1，AC-600，AC-700和 AC-800的進(jìn)氣質(zhì)量濃度均取12.17，17.49，50.95，77.94和107.22 g/m3；AC-NaOH，AC-Na2CO3和AC-NaHCO3的進(jìn)氣質(zhì)量濃度均取9.51，19.01，38.02，76.04和190.11 g/m3。這些不同進(jìn)氣質(zhì)量濃度即不同相對壓力/0下(其中平衡壓力可以通過克拉伯龍方程由進(jìn)氣濃度轉(zhuǎn)換而來)，利用電子天平稱質(zhì)量法(JA1203N型，上海精密科學(xué)儀器有限公司)得出不同質(zhì)量濃度下7種活性炭對丙酮(分析純AR, 衡陽市凱信化工試劑有限公司)的吸附量，從而得到丙酮的等溫吸附線。

①—干燥器；②—有機氣體發(fā)生器；③—流量計；④—混合器；⑤—真空泵；⑥—固定吸附床；⑦—恒溫水箱；⑧—氣相色譜儀；⑨—尾氣處理

2 結(jié)果與討論

2.1 AC-1的元素分析

表1所示為AC-1的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況，它含有C，O，Al，Si，Nb，Ca和Fe共7種元素，其中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為83.53 %。據(jù)文獻(xiàn)[9]，煤基活性炭中含有一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氧化物成分，例如Al2O3，SiO2，Nb2O5，CaO和Fe2O3，以及氫氧化物與金屬鹽如Ca(OH)2和CaCO3等，這些物質(zhì)組成活性炭的灰分，灰分附著在活性炭的孔隙中，影響活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)，從而影響到活性炭的吸附行為。

表1 AC-1的元素分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

微波改性后，表面含氧官能團(tuán)以CO或者CO2的形式分解[3]，采用堿性溶液浸漬活性炭，則可溶解某些堿溶性氧化物，將氧化物變?yōu)榭扇苄喳}類，經(jīng)水洗去除，從而使活性炭的灰分降低，提高吸附活性，可能的反應(yīng)如下：

SiO2+OH?→SiO32-+H2O

Al2O3+OH?→AlO2-+ H2O

2.2 改性對物理結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 比表面積及孔容

表2所示為活性炭的比表面積及孔容測試結(jié)果。由表2可知：AC-1的比表面積、總孔容均最大，分別為971.74 m2/g和0.517 5 mL/g，AC- Na2CO3的比表面積和總孔容均為最小，分別為757.23 m2/g和0.367 0 mL/g。微波改性之后，BET比表面積和總孔容隨著溫度的增加先減小后增大，BET比表面積和總孔容由大至小的活性炭為AC-1，AC-800，AC-600和AC-700，但微孔比表面積由大至小的活性炭順序與之剛好相反，AC-700具有最大的微孔比表面積773.67 m2/g，比AC-1大156.27 m2/g。而且與AC-1相比，AC-700微孔孔容占總孔容的比例micro/total由72%升至83%，這說明在600~700 ℃范圍內(nèi)，形成了很多新的微 孔[10]。當(dāng)溫度為700~800 ℃時，微孔比表面積和微孔孔容又降低。這可能是由于一部分較小孔徑微孔被堵塞，同時，中孔孔容和大孔孔容也有一定程度降低，這可能是某些炭骨架的塌陷引起。

表2 活性炭的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

堿性溶液改性之后，BET比表面積、總孔容、中孔孔容、大孔孔容均明顯減小，其原因可能是堿性溶液與活性炭表面物質(zhì)反應(yīng)生成某些鹽類物質(zhì)(如硅酸鹽、偏鋁酸鹽)對孔道造成堵塞，也有可能是改性溶液本身殘留在活性炭孔道表面，干燥后析出的結(jié)晶固體局部堵死某些孔道。微孔孔容較小幅度減小，微孔孔容占總孔容的百分比則不同程度地增大，這可能是堵塞一部分孔道的同時，堿性溶液與炭表面物質(zhì)反應(yīng)生成的氣體打開了一部分原有的封閉微孔。

2.2.2 孔徑?孔容分布曲線

活性炭的孔徑?孔容分布對其吸附性能有很大影響，微孔是吸附質(zhì)的主要駐留場所，中孔、大孔則主要起通道作用[11]。圖2所示為活性炭的孔徑?孔容分布曲線。由圖2可知：孔徑分布范圍較廣，為0.45~182.00 nm，7種活性炭均以微孔分布為主，只存在少量中孔、大孔。主要孔容的孔徑分布范圍如表3所示。

樣品：(a) AC-1；(b) AC-600；(c) AC-700；(d) AC-800；(e) AC-NaOH；(f) AC-Na2CO3；(g) AC-NaHCO3

表3 主要孔容的孔徑分布

微波改性后，大、中孔段孔徑?孔容分布曲線與AC-1的曲線基本相似，但AC-600，AC-700和AC-800在0.6~0.7 nm孔徑段的孔容與AC-1的孔容相比明顯減小。堿性溶液改性后，大、中孔段孔徑?孔容分布同樣變化不大，AC-Na2CO3，AC-NaHCO3與AC-1在0.55~0.75 nm孔徑段的孔容有較明顯差別。與其他6種樣品相比，AC-NaOH在0.6~1.6 nm孔徑段的孔容分布非常均勻，平均孔容約為0.005 mL/g，并且AC-NaOH中不存在孔徑在0.6 nm以下的微孔。

2.3 改性對表面官能團(tuán)的影響

2.3.1 Boehm滴定

表4所示為Boehm滴定結(jié)果。從表4可見：微波改性后，酚羥基量、羧基量逐漸減小，溫度越高，酸性基團(tuán)分解量越大，AC-600和AC-700酸性基團(tuán)總量分別為AC-1的40.8%和17.7%；當(dāng)溫度到達(dá)800 ℃時，酸性基團(tuán)完全分解。溫度升高，堿性基團(tuán)則逐漸形成[12]，含有堿性基團(tuán)總量的樣品由大至小的順序為AC-800，AC-700，AC-600和AC-1，當(dāng)溫度為800 ℃時，堿性基團(tuán)總量增大到約為未改性活性炭的2.6倍。有研究表明活性炭的堿性特征主要來源于芳香烴內(nèi)非離域化的π電子，含氧官能團(tuán)從活性炭表面去除之后，這種堿性特征就會加強[13]，所得到的結(jié)果也與文獻(xiàn) [14]中的結(jié)果相同。堿性溶液改性后，表面酸性基團(tuán)與堿性溶液完全反應(yīng)，活性炭表面酸性基團(tuán)、酚羥基、羧基的量均為0 mmol/g。含有堿性基團(tuán)總量的樣品由大至小的順序為：AC-NaOH，AC-Na2CO3和AC-NaHCO3，改性溶液堿性越強，堿性基團(tuán)總量越大。

表4 活性炭的Boehm滴定結(jié)果

2.3.2 FTIR

圖3所示為傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(FTIR)的測試結(jié)果。由圖3可知：在某些相同波數(shù)范圍內(nèi)，改性活性炭和原始活性炭均出現(xiàn)明顯的吸收峰，同時，改性活性炭在不同波數(shù)處出現(xiàn)新的吸收峰。這表明改性后既保留了原有的某些基團(tuán)，又產(chǎn)生了新的基團(tuán)。由圖3(a)可見：在2 845~2 975 cm?1處存在吸收峰，表明存在—C—H鍵的伸縮振動，包括甲基、亞甲基、次甲基的對稱與非對稱伸縮振動；AC-1，AC-600和AC-700在1 620~1 670 cm?1處均存在吸收峰，表明存在—C=C—的伸縮振動，碳碳雙鍵由1個σ鍵和1個π鍵組成，π鍵比σ鍵活潑，容易在高溫下被破壞，AC-800無此峰，這說明800 ℃碳碳雙鍵已經(jīng)被破壞；AC-1，AC-600和AC-700在3 200~3 670 cm?1處存在寬而尖銳的吸收峰，表明存在—O—H的伸縮振動，而AC-800在此波數(shù)段表現(xiàn)為雙峰，說明—O—H在800 ℃已完全分解；在3 200 cm?1和3 350 cm?1處的雙峰顯示伯酰胺氫鍵的締合，由—N—H的伸縮振動引起，雙峰的峰比單峰的峰弱，這是因為羥基形成的氫鍵比氨基形成的氫鍵強。隨著溫度升高，1 680~ 1 750 cm?1波數(shù)段的峰強明顯減小，表明活性炭表面羰基—C=O、羧基—COOH、酯鍵—COO的數(shù)量逐漸減小。1 030~1 230 cm?1波數(shù)段的吸收峰表明存在脂肪胺C-N的伸縮振動。由圖3(b)可見：存在1 060~1 150 cm?1處的吸收峰，表明存在—C—O—C—的不對稱伸縮振動；存在2 845~2 975 cm-1處的吸收峰，表明存在—C—H鍵的伸縮振動；AC-1，AC-NaOH和AC-NaHCO3在3 200~3 670 cm?1處存在寬而尖銳的吸收峰，表明存在—O—H的伸縮振動，而AC-Na2CO3在3 200~3 550 cm?1波數(shù)段則出現(xiàn)羥基締合現(xiàn)象。

樣品：(a) AC-1, AC-600, AC-700, AC-800；(b) AC-1, AC-NaOH, AC-Na2CO3, AC-NaHCO3

2.4 吸附性能

2.4.1 孔參數(shù)對吸附性能的影響

圖4所示為丙酮飽和吸附量與活性炭樣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。測定飽和吸附量時，AC-1及微波輻照改性活性炭AC-600，AC-700和AC-800的進(jìn)氣質(zhì)量濃度為107.22 g/m3，堿性溶液改性活性炭AC-NaOH，AC-NaHCO3和AC-Na2CO3的進(jìn)氣質(zhì)量濃度為190.11 g/m3。由圖4(b)和4(d)可知：丙酮飽和吸附量與活性炭總孔容、微孔比表面積的線性相關(guān)系數(shù)較低，線性相關(guān)性不明顯，但總體趨勢是隨著總孔容和微孔比表面積的增大吸附量增大，這與Gao等[15]的研究結(jié)果一致。由圖4(a)和4(c)可知：吸附量與BET比表面積、微孔孔容則具有良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)2接近0.800，因此，增大活性炭的BET比表面積和微孔孔容是提高吸附量的一個有效方法。

(a) BET比表面積；(b) 總孔容；(c) 微孔孔容；(d) 微孔比表面積

2.4.2 表面官能團(tuán)對吸附性能的影響

圖5所示為丙酮飽和吸附量與活性炭表面堿性官能團(tuán)總量之間的關(guān)系。從圖5可見：隨著堿性官能團(tuán)總量增加，吸附量呈遞減的趨勢。這是因為活性炭經(jīng)過堿性溶液改性后，表面酸性官能團(tuán)減少，堿性官能團(tuán)增多，使得活性炭表面極性降低，非極性增強，這有利于提高對非極性或弱極性物質(zhì)的吸附容量，降低對極性物質(zhì)的吸附容量。丙酮為極性分子，故活性炭對丙酮的吸附量減小，這表明用堿性溶液改性活性炭去吸附非極性類的VOCs分子，可能會取得很好的效果。然而，微波改性后，堿性基團(tuán)稍有增加，但吸附量增大，可能主要是因為微波改性后微孔孔容增加促進(jìn)了吸附量增加，物理吸附起著主要作用。

圖5 飽和吸附量和堿性官能團(tuán)總量的關(guān)系

2.4.3 等溫吸附線

圖6所示為7種活性炭吸附丙酮的吸附等溫線，根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會 (IUPAC)分類法，其均屬于Ⅰ型吸附等溫線。微波改性后，吸附量隨著溫度升高而降低，吸附量由大到小的活性炭為AC-600，AC-700，AC-800和AC-1；堿性溶液改性后，吸附量均略有降低，吸附量由大至小的活性炭為AC-1，AC-NaHCO3，AC-NaOH和AC-Na2CO3。

樣品：(a) AC-1, AC-600, AC-700, AC-800；(b) AC-NaOH, AC-Na2CO3, AC-NaHCO3

Langmuir模型可以很好地描述吸附等溫線在低壓區(qū)的特點，不適合高壓區(qū)。因為在較高分壓下，吸附不能被認(rèn)為是單分子層吸附，且同時要考慮毛細(xì)凝聚現(xiàn)象。Langmuir方程的線性形式可表示為

其中：e為平衡吸附量，mg/g；max為單分子層飽和吸附量，mg/g；e為被吸附氣體的平衡質(zhì)量濃度，g/m3；L為Langmuir常數(shù)，m3/g，與吸附能有關(guān)。由e/e對e作直線，可以通過計算直線的斜率和截距計算出max和L。

Freundlich方程的線性形式可表示為

其中：e為平衡吸附量，mg/g；ρ為被吸附氣體的平衡質(zhì)量濃度，g/m3；f為Freundlich常數(shù)，它被認(rèn)為是相對吸附容量，當(dāng)e等于1時，f與e相等。f為表征吸附劑吸附強度的常數(shù)。由lne對lne作直線，可以通過計算直線的斜率和截距計算f和f。Langmuir方程和Freundlich方程對等溫吸附實驗數(shù)據(jù)的擬合參數(shù)見表5。

由表5可知：Langmuir方程擬合的相關(guān)系數(shù)2均大于0.996，表明丙酮在活性炭上的吸附等溫線能較好地用Langmuir模型來預(yù)測；Freundlich方程擬合的相關(guān)系數(shù)2均比Langmuir方程小，這說明吸附并不是發(fā)生在非均勻固體表面[16]。據(jù)文獻(xiàn)[17]，一般認(rèn)為當(dāng)0.1＜f＜1.0時，有利于吸附，位于0.1~0.5這個區(qū)間時容易吸附，且f越小，吸附越容易進(jìn)行；而當(dāng)f>1.0時，吸附作用力變?nèi)?，不利于吸附，此時f都位于0.1~0.3，并且微波改性炭樣的f均比堿性溶液改性炭樣的小，這說明丙酮更容易在微波改性炭樣上形成吸附，從而導(dǎo)致吸附量增加。Freundlich常數(shù)f還是吸附線性偏差的1個度量，用來驗證吸附的類型，一般認(rèn)為f等于1時，吸附是線性的，若f小于1，則說明吸附是一個物理吸附過程，若f大于1，則說明吸附是一個化學(xué)吸附過程。這里最大的f為 0.252 1，表明丙酮在這7種活性炭上均以物理吸附為主，吸附時起主要作用的是范德華力而不是化學(xué)鍵 力[18]。Langmuir方程和Freundlich方程均能較好的描述丙酮在活性炭上的吸附，Langmuir方程更加適合。

表5 丙酮的Langmuir方程和Freundlich方程的擬合參數(shù)

2.5 吸附能

D-R方程的數(shù)學(xué)表達(dá)形式為[19]

=0exp[?(/(0))2]=0exp[?(/)2] (3)

式(3)可簡化變形為

ln=ln0?2.303(/)2ln2(0/) (4)

式中：為相對壓力/0下吸附質(zhì)的平衡吸附容量，mL/g；0為微孔極限吸附容量，mL/g；為吸附勢=ln(0/)，kJ/mol；為與吸附質(zhì)有關(guān)的吸附親和系數(shù)；0和分別為標(biāo)準(zhǔn)吸附質(zhì)苯和所用吸附質(zhì)的特征吸附能，kJ/mol；0和分別為飽和蒸汽壓和平衡壓力，Pa；為通用氣體常數(shù)，J·mol?1·K?1；為熱力學(xué)溫度，K。丙酮在活性炭上的吸附能見表6。

表6 丙酮在活性炭上的吸附能

利用活性炭樣的氮吸附等溫線數(shù)據(jù)，通過D-R方程，ln對ln2(0/)的線性擬合圖如圖7所示。由式(4)可知，直線的斜率為?2.303(/(0))2。據(jù)文獻(xiàn)[20]，N2的親和系數(shù)為0.33，由此可求得AC-1，AC-600，AC-700，AC-800，AC-NaOH，AC-Na2CO3和AC-NaHCO3的特征吸附能0分別為14.65，18.18，17.01，18.75，26.34，23.23和28.11 kJ/mol。同理，丙酮的親和系數(shù)為0.85[20]，根據(jù)=0可計算出活性炭對丙酮的吸附能，見表6。表6中2為線性回歸相關(guān)系數(shù)，其值為0.985~0.998，表明回歸效果較好。吸附能位于12.82~17.64 kJ/mol之間，相對較小，可以推斷丙酮在活性炭上的吸附過程以物理吸附為主。Mangun等[21]認(rèn)為活性炭表面含氮官能團(tuán)越多，吸附能越大，活性炭在氮氣氛圍下進(jìn)行微波改性后，經(jīng)圖3(a)所示的FTIR驗證，AC-600，AC-700和AC-800表面生成含氮官能團(tuán)，故微波改性活性炭的吸附能大于未改性活性炭的吸附能，經(jīng)過堿性溶液改性后，吸附能也有一定提高，其原因有待進(jìn)一步研究。

樣品：(a) AC-1, AC-600, AC-700, AC-800；(b) AC-NaOH, AC-Na2CO3, AC-NaHCO3

3 結(jié)論

1) 微波輻照加熱改性后，活性炭的總比表面積和孔容較小幅度減小，但微孔比表面積顯著增大，形成許多新的微孔。隨著溫度升高，酸性基團(tuán)大量分解，堿性基團(tuán)逐漸形成。

2) 堿性溶液浸漬改性后，比表面積和孔容均減小。酸性基團(tuán)被完全去除，溶液堿性越強，產(chǎn)生的堿性基團(tuán)總量越大。

3) 丙酮吸附量與活性炭微孔孔容具有良好的線性相關(guān)性，吸附量隨著微孔孔容的增大而增大。隨著活性表面堿性基團(tuán)的增加，丙酮吸附量呈現(xiàn)遞減趨勢。

4) 對丙酮的吸附量由大至小的活性炭順序為AC-600，AC-700，AC-800，AC-1，AC-NaHCO3，AC-NaOH和AC-Na2CO3，說明微波改性是一種提高吸附量的方法。

5) Langmuir方程和Freundlich方程均能較好地描述丙酮在活性炭上的吸附，Langmuir方程更加適合。

6) 活性炭對丙酮的吸附能均較小，活性炭表面含氮官能團(tuán)越多，吸附能越大。

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Effect of microwave and alkaline solution modification activated carbons on adsorption properties of actone acetone

LIANG Xin, LI Liqing, LIU Zheng, LI Hailong, MA Weiwu, YAO Xiaolong

(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The commercial activated carbons were irradiated with microwave at 600, 700 and 800 ℃ and impregnated with sodium hydroxide, sodium carbonate and sodium bicarbonate respectively. Specific surface area and pore size analyzer, Boehm titration and Fourier transformed infrared spectroscopy (FTIR) were used to study the physicochemical properties of the activated carbons. The fixed-bed adsorption experiments were conducted at 10 ℃ using acetone as adsorbate. The results show that after microwave modification, the specific surface area and total pore volume of activated carbons decrease slightly, but the micropore specific surface area increases remarkably. With the increase of temperature, large number of surface acidic functional groups resolve and surface basic functional groups are formed gradually. Both the specific surface area and pore volume decrease when the alkaline solutions are modificated. With the increase of alkaline of solutions, surface basic functional groups increase remarkably and surface acidic functional groups are removed completely. The relationship between the adsorption capacity of acetone and the micropore volume of activated carbons is linear, the adsorption capacity is inversely proportional to the contents of surface basic functional groups of activated carbon. Both the Langmuir equation and Freundlich equation can describe the adsorption of acetone onto activated carbons, and the Langmuir equation is more suitable. The adsorption energy is proportional to the contents of surface nitrogen groups of activated carbon.

modified activated carbon; adsorption; acetone; microwave; alkaline solution

O613.71

A

1672?7207(2015)02?0742?09

2014?02?20；

2014?04?22

國家自然科學(xué)基金資助項目(20976200，51206192)；國家科技支撐項目(2015BAL04B02)；APEC科技產(chǎn)業(yè)合作基金項目(313001022)(Projects (20976200, 51206192) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2015BAL04B02) supported by the National Science and Technology Support Program; Project (313001022) supported by the APEC Scientific and Technological Cooperation Projects Fund)

李立清，博士，教授，從事空氣污染控制研究；E-mail：liqingli@hotmail.comge

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.02.050

(編輯 陳燦華)