三種活性炭陶瓷的苯吸附特性研究

巫紅平，李 勇

（1 福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350002）（2 國家建筑裝飾裝修產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（福建），福建 福州 350002）

三種活性炭陶瓷的苯吸附特性研究

巫紅平1, 2，李 勇1, 2

（1 福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350002）
（2 國家建筑裝飾裝修產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（福建），福建 福州 350002）

實(shí)驗(yàn)選用椰殼活性炭、木質(zhì)活性炭、煤質(zhì)活性炭和硅藻土為主要原料，經(jīng)過配料、成型、干燥、燒結(jié)等工藝制備活性炭功能陶瓷材料。通過體積密度、抗壓強(qiáng)度、氣孔率和碘吸附值性能指標(biāo)確定了最佳制備工藝條件。對比分析了燒成溫度、環(huán)境溫度、吸附時間等工藝條件對三種不同活性炭陶瓷材料苯吸附的影響。實(shí)驗(yàn)表明：煤質(zhì)活性炭30%，硅藻土70%，燒結(jié)溫度為800℃時制備的煤質(zhì)活性炭陶瓷材料，在環(huán)境溫度為30℃，吸附時間24h時，苯的吸附率為12.68%，48h時吸附達(dá)到飽和狀態(tài)。

活性炭；硅藻土；苯吸附

1 引言

苯被世界衛(wèi)生組織確定為強(qiáng)烈致癌物質(zhì)，對人體有很大的危害，長期接觸可引起骨髓與遺傳損害，導(dǎo)致血細(xì)胞減少與再生障礙性貧血，甚至發(fā)生白血病、血液病和心血管疾病等[1-3]。室內(nèi)苯的來源主要是建筑裝飾中使用的化工原料，如油漆、涂料的添加劑和稀釋劑、膠黏劑和防水材料，這些材料含有大量的有機(jī)化合物，裝修后會揮發(fā)到室內(nèi)，造成苯污染[4-5]。目前，去除含苯有機(jī)廢氣的方法有很多種，吸附法、燃燒法和微生物凈化法已成為主流的三種方法[6]。

活性炭是一種具有豐富內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和巨大比表面積的吸附材料，在各種工業(yè)有毒廢氣的治理中被廣泛應(yīng)用。但目前常用的活性炭主要是粉末或顆粒狀的，存在許多缺點(diǎn)，例如：強(qiáng)度低易碎、運(yùn)輸儲存困難、不易回收和容易造成二次污染等等[7-8]。

實(shí)驗(yàn)采用椰殼活性炭、木質(zhì)活性炭、煤質(zhì)活性炭和硅藻土為主要原料，制得了活性炭功能陶瓷材料，該復(fù)合材料不僅具備了活性炭和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)，而且克服了活性炭強(qiáng)度低、易碎、回收困難的缺點(diǎn)。該制備方法簡單易行、成本低廉、適合工業(yè)化生產(chǎn)，可以在空氣和水的凈化領(lǐng)域中應(yīng)用，具有廣泛的應(yīng)用前景[9]。

2 實(shí)驗(yàn)原料與制備方法

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

椰殼活性炭、木質(zhì)活性炭、煤質(zhì)活性炭（分析純）；生硅藻土（食品級）。

2.2 活性炭陶瓷制備

生硅藻土在80℃下的干燥箱中烘干24h，然后用研缽研碎，過80目篩備用。分別將三種活性炭按摻量比例10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)與備好的硅藻土混合均勻，緩慢加入25%的水，攪拌均勻后過篩（8目），裝入自封袋，放在陰暗的環(huán)境下陳腐一天。取出陳腐的坯料，稱取4g原料倒入模具中，采用手工干壓方法，制成柱狀Φ3cm×3cm的樣品。成型后的樣品在80℃條件下干燥24 h，然后置于高溫電阻爐中燒成，以200℃/h的升溫速率升到規(guī)定溫度（600℃、700℃、750℃、800℃、850℃和900℃）保溫2h，隨爐冷卻，取出樣品。

2.3 樣品測試與表征

樣品的抗壓強(qiáng)度采用CYQ數(shù)顯式工程陶瓷抗壓強(qiáng)度測試儀測定；碘吸附值參照國標(biāo)GB /T12496.8-1999測 定； 微 觀 形 貌 用PhilipsXL30ESEM掃描電鏡觀察。

樣品的苯吸附率采用氣體靜態(tài)吸附量（重量法）的測量方法測定。

3 結(jié)果分析及討論

3.1 活性炭摻量對三種活性炭陶瓷材料性能的影響

不同活性炭摻量制得的活性炭陶瓷材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)見表1（Y—椰殼活性炭陶瓷；W—木質(zhì)活性炭陶瓷；M一煤質(zhì)活性炭陶瓷，下同) 。從表1可以看出：隨著活性炭摻量的增大，三種活性炭陶瓷材料各項(xiàng)指標(biāo)的變化規(guī)律都相同，氣孔率和碘吸附值增大，抗壓強(qiáng)度和體積密度逐漸減小?；钚蕴刻沾刹牧系谋缺砻娣e由活性炭摻量決定，可活性炭摻量又影響著材料的抗壓強(qiáng)度，綜合該材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)考慮，選擇活性炭摻量30%進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

表1 不同活性炭摻量條件下所得活性炭陶瓷材料的性能

3.2 燒成溫度對苯吸附率的影響

圖1為按30%活性炭摻量配料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)（600℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃）制得的三種復(fù)合材料在環(huán)境溫度30℃下吸附苯24h的吸附率曲線圖。

從圖1中可以知道，三種復(fù)合材料的苯吸附率隨著燒成溫度的升高而減小。這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高時，復(fù)合材料中炭的氧化損失會變大，從而導(dǎo)致材料的比表面積和氣孔率減小，因此苯的吸附率也就會降低。還可以看出，木質(zhì)活性炭陶瓷和煤質(zhì)活性炭陶瓷的苯吸附率從600℃到800℃迅速下降，當(dāng)燒成溫度為800℃時，苯吸附率下降緩慢，因此選擇800℃為較適宜的燒成溫度。

圖1 燒成溫度對苯吸附率的影響

圖2 環(huán)境溫度對苯吸附率的影響

3.3 環(huán)境溫度對苯吸附率的影響

圖2為較佳配方和較佳燒成溫度條件下制得的樣品在不同環(huán)境溫度（20℃、30℃、40℃、50℃、60℃）下吸附苯24h的吸附率曲線。

從圖2可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，三種活性炭陶瓷對苯的吸附率先變大后減小，最佳的吸附溫度為30℃。環(huán)境溫度為20℃時，三種活性炭陶瓷的苯吸附率都比較小，其中木質(zhì)活性炭的吸附率最小，為9.42%；當(dāng)溫度升到30℃時，吸附率達(dá)到最大，此時，煤質(zhì)活性炭陶瓷的苯吸附率12.68%＞椰殼活性炭陶瓷的苯吸附率11.56%＞木質(zhì)活性炭陶瓷的苯吸附率10.34%。出現(xiàn)苯吸附率隨環(huán)境溫度升高呈先變大后減小的原因可能是：吸附環(huán)境溫度的上升能夠給苯提供較大的能量，加快苯的擴(kuò)散，使復(fù)合材料與苯接觸的幾率變大，因此吸附率也就增大。當(dāng)環(huán)境溫度繼續(xù)增大，脫附起到了主要作用，它的速率比吸附大，所以復(fù)合材料的吸附率會減小。

圖3 吸附時間對苯吸附率的影響

3.4 吸附時間對苯吸附率的影響

圖3為三種復(fù)合材料（硅藻土∶活性炭=7∶3）在800℃燒成溫度條件下制得的樣品在30℃環(huán)境溫度下對苯吸附不同時間的吸附率曲線。

從圖3中可以看出，三種復(fù)合材料對苯的吸附率隨著時間的增加而增大，當(dāng)吸附時間為48h時，達(dá)到飽和；吸附時間繼續(xù)增加，吸附率出現(xiàn)緩慢下降。還可以知道，在吸附時間小于12h時，煤質(zhì)活性炭陶瓷的苯吸附率小于椰殼活性炭陶瓷和木質(zhì)活性炭陶瓷的苯吸附率；當(dāng)吸附時間大于12h時，煤質(zhì)活性炭陶瓷的苯吸附率遠(yuǎn)大于椰殼活性炭陶瓷和木質(zhì)活性炭陶瓷的苯吸附率，這說明煤質(zhì)活性炭陶瓷對苯的吸附量最大。

3.5 活性炭功能陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)

圖4為在較佳配方和燒成溫度下制得的煤質(zhì)活性炭陶瓷的SEM圖。從圖4中可以看出煤質(zhì)活性炭顆粒與硅藻土基體混合在一起，緊密結(jié)合。硅藻土作為復(fù)合材料的骨架，其竹籠狀結(jié)構(gòu)不僅含有大量孔隙，且孔隙中能填充活性炭，為復(fù)合材料高強(qiáng)度、高比表面積提供了有力保障。

圖4 煤質(zhì)活性炭陶瓷的SEM圖

4 結(jié)論

三種活性炭陶瓷對苯的吸附率都隨著活性炭含量的增加而增加，但隨著燒成溫度的升高呈現(xiàn)先下降后趨于平穩(wěn)的趨勢；隨著環(huán)境溫度的升高呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在30℃的環(huán)境溫度下吸附率達(dá)到最大；隨著吸附時間的增加，苯的吸附率逐漸增大，當(dāng)吸附時間為48h時，吸附達(dá)到飽和，當(dāng)吸附時間繼續(xù)增加，吸附率有所下降。其中在較佳配方和較佳燒成溫度下制備的煤質(zhì)活性炭陶瓷，在30℃環(huán)境溫度，吸附24h時，苯的吸附率達(dá)到12.68%。

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Three Activated Carbon Ceramics and Its Benzene Absorption Capacity

WU Hong-ping1, 2, LI Yong1, 2

(1 Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality, Fuzhou 350002, Fujian, China) (2 National Quality Supervision and Testing Center for Construction products(Fujian), Fuzhou 350002, Fujian, China)

Activated carbon ceramics were prepared by using diatomite and three different types of activated carbon powder as main materials followed by shaping and calcining processes. The properties such as bulk density, compressive strength, porosity and iodine absorption were tested and thus the optimal technical conditions were determined. The influences of sintering temperatures, activated ambient temperatures and adsorption time on benzene absorption capacity were characterized. The results show that the optimal ratio (by mass) for diatomite to coal activated carbon was 7∶3, and the best sintering temperature was 800℃. Benzene absorption capacity of the materials made under the conditions was up 12.68% at 30℃ for 24h. Activated carbon ceramics exhibit a maximum capacity at ambient temperatures at 30℃for72h.

Activated carbon; Diatomite; Benzene absorption capacity

2015-05-28

巫紅平，男，福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，建材產(chǎn)品檢驗(yàn)所，室副主任，工程師，碩士

李 勇，男，福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，建材產(chǎn)品檢驗(yàn)所，技術(shù)負(fù)責(zé)人兼副所長，高級工程師，碩士