改性微孔-介孔多級孔碳材料的制備及其甲苯吸附性能

閆 茜， 劉 芳， 高 雅， 樊豐濤，段成龍， 趙朝成， 孫 娟， 劉春爽

(1.中國石油大學 化學工程學院, 山東 青島 266555; 2.中國石化青島安全工程研究院 環(huán)境保護研究室， 山東 青島 266071)

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改性微孔-介孔多級孔碳材料的制備及其甲苯吸附性能

閆 茜1,2， 劉 芳1， 高 雅1， 樊豐濤1，段成龍1， 趙朝成1， 孫 娟1， 劉春爽1

(1.中國石油大學 化學工程學院, 山東 青島 266555; 2.中國石化青島安全工程研究院 環(huán)境保護研究室， 山東 青島 266071)

為尋求高效有機廢氣吸附劑，選取石油化工行業(yè)特征污染物甲苯為研究對象，以MCM-41分子篩作為模板，制備大比表面積微孔-介孔多級孔碳材料。采用硝酸改性，分別考察了硝酸濃度、改性時間、改性溫度對改性材料甲苯吸附性能的影響，并采用正交實驗確定最佳改性條件。結果表明，合成微孔-介孔多級孔碳材料比表面積高達1104.08 m2/g，平均孔容為0.52 cm3/g，對模擬甲苯有機廢氣飽和吸附量可達0.107 g/g；硝酸改性后，微孔-介孔多級孔碳材料甲苯吸附性能顯著提高。最優(yōu)的制備條件為硝酸質量分數(shù)20%、改性時間10 h、改性溫度60℃。在此條件下制備的硝酸改性微孔-介孔多級孔碳材料的甲苯飽和吸附量可達0.687 g/g。

微孔-介孔多級孔碳材料； 硝酸； 改性； 甲苯； 吸附； 石油化工行業(yè)

揮發(fā)性有機氣體(VOCs)是一類重要大氣污染物，嚴重威脅大氣環(huán)境及人類健康[1-2]，石化行業(yè)排放的廢氣、尾氣是大氣污染中VOCs的主要來源之一。石化行業(yè)排放的有機廢氣污染物主要包括苯系物、醛酮類、鹵代烴、醇類等，來源于儲罐無組織排放、生產工藝裝置排放、裝置氣體泄漏、溶劑揮發(fā)等[3]。由于這些有機廢氣的強毒性、強擴散性、致癌性、易燃性、低水溶性等特性，成為較難處理的廢氣之一[4]。甲苯，作為石化行業(yè)有機廢氣特征污染物，嚴重影響人類健康[5]，控制甲苯有機廢氣污染應引起高度重視。

目前，處理甲苯有機廢氣的方法主要有吸附法、吸收法、催化氧化法、熱處理法、生物降解法、冷凝法等。其中，吸附法處理低濃度有機廢氣具有較高去除效率[6-7]，已被廣泛使用[7-9]。吸附法的關鍵在于吸附劑的選擇。

吸附劑應具有較大比表面積、適宜孔結構、抗磨損性及高水熱穩(wěn)定性。根據(jù)孔徑分布不同，吸附劑材料可劃分為微孔材料(<2 nm)、介孔材料(2～50 nm)和大孔材料(>50 nm)。活性炭屬于微孔材料，是目前較常使用的吸附劑材料之一[10-11]，但由于僅適用于分子直徑較小的物質，在吸附領域應用受到影響。介孔分子篩MCM-41，具有較大比表面積，孔道排列六方有序，且孔徑分布于1.5～10.0 nm 范圍內，可應用于大分子有機廢氣吸附，但由于其孔壁的無定形性及材料水熱穩(wěn)定性差，實際應用受到影響。合成一種具有比表面積較大、性質穩(wěn)定且吸附性能良好的材料至關重要。

介孔分子篩MCM-41具有相互不連通的孔道結構，碳源填充后的復合材料在模板脫除后，孔道坍塌，形成含大量微孔、高比表面積的無序碳材料[12]，而該種碳材料的應用尚未受到重視。筆者以MCM-41為硬模板，蔗糖為碳源，合成一種微孔-介孔多級孔碳材料，使其既具有微孔材料高水熱穩(wěn)定性優(yōu)勢，又具有介孔材料孔道優(yōu)勢；此外，采用硝酸法改性合成碳材料，增加碳材料微孔孔容[13]，同時引入表面含氧基團[14-15]?？疾炝撕铣傻奈⒖?介孔多級孔碳材料對石化行業(yè)甲苯有機廢氣的吸附性能。

1 實驗部分

1.1 試劑及材料

蔗糖、對甲苯磺酸、糠醇、苯酚、甲醛、甲苯、硝酸，AR級，國藥集團化學試劑有限公司產品；濃硫酸、乙醇、氫氧化鈉，AR級，隴西化工股份有限公司產品；高純N2，天源氣體有限公司產品。分子篩MCM-41，南開大學催化劑廠產品；微孔-介孔多級孔碳材料MC-1、硝酸改性微孔-介孔多級孔碳材料MC-N、活性炭AC、吸附甲苯飽和微孔-介孔多級孔碳材料MC-A，實驗室自制。

1.2 實驗裝置

甲苯氣體吸附實驗裝置如圖1所示。甲苯通過空氣鼓泡法產生，并通過流量計控制甲苯濃度。連接管路均采用硅膠管，干燥緩沖瓶內填入硅膠等吸水材料。裝置尾端排氣口連接尾氣處理裝置。吸附柱置于水浴中，以便控制溫度。

1.3 微孔-介孔多級孔碳材料制備

微孔-介孔多級孔碳材料制備流程如圖2所示。

將1.25 g蔗糖和0.14 g濃硫酸加入到5 g蒸餾水中配制成溶液。將活化后1 g 分子篩MCM-41置于其中，并于(20±2)℃下磁力攪拌24 h。在100℃下烘干6 h，升至160℃繼續(xù)加熱6 h，使蔗糖初步炭化。再用0.8 g蔗糖、0.09 g濃硫酸和5 g蒸餾水配制成溶液，采用上述方法進行碳源二次填充、烘干及初步炭化。在高純N2保護下，900℃炭化2 h。炭化后樣品，在80℃下，用體積比1的2.5%(質量分數(shù))NaOH乙醇溶液和NaOH水溶液浸泡，除去模板劑MCM-41后，得到微孔-介孔多級孔碳材料，用MC-1表示。

1.4 多級孔碳材料的硝酸改性

稱取0.5 g活化后MC-1，分別置于50 mL質量分數(shù)為10%、20%、30%、40%、50%的硝酸溶液中，45℃下加熱12 h。制備的硝酸改性碳材料用MC-N表示?？疾旄男詼囟群蜁r間對制備的MC-N性質的影響時，溫度分別為30、45、60、75、90℃，改性時間分別為4、8、12、16、20、24 h。

圖1 甲苯氣體吸附裝置示意圖

圖2 微孔-介孔多級孔碳材料制備流程

1.5 微孔-介孔復合碳材料的表征

1.5.1 形態(tài)表征

采用日立S4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察MC-1外觀形貌(SEM)。將材料粉體撒于導電膠帶上，并吹掃去除粘結不牢粉體。在工作電壓5.0 kV、工作距離8.9 mm、放大倍數(shù)×80.0 K下觀察樣品形貌。采用日本電子JEM-2100UHR型透射電子顯微鏡獲得TEM照片，觀察MC-1內部孔結構，加速電壓200 kV。測試前，將樣品研磨，置于少量無水乙醇中超聲波分散，制成懸濁液，布于銅網上自然干燥。

1.5.2 N2吸附-脫附等溫線與孔徑分布

采用美國麥克儀器公司ASAP2020-M比表面分析儀于-196℃下測定N2吸附-脫附等溫線及比表面積。測試前，樣品于250℃下真空脫氣至少12 h。按照Barrett-Emmett-Teller (BET)法計算其比表面積，以脫附支曲線Barrett-Joyner-Halenda (BJH)模型計算孔容和孔徑分布。

1.5.3 表面基團表征

采用美國Thermo Nicolet公司NEXUS原位漫反射紅外光譜儀表征樣品表面基團。采用溴化鉀晶體粉末測得背景值后采樣，根據(jù)峰位和峰型確定基團，根據(jù)峰面積確定基團含量。

1.5.4 元素組成分析

采用日立S4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡能譜分析儀對樣品進行元素定性定量分析(EDS)。

1.6 甲苯吸附性能的表征

采用圖1所示裝置進行吸附實驗。裝置需運行至少2 h，待穩(wěn)定后采樣。吸附劑床層高度約1 cm(0.3 g)，甲苯進口質量濃度1750 mg/m3，吸附柱水浴溫度35℃。初始30 min內，每間隔10 min，然后每間隔15 min分別于空白采樣口及采樣口采集氣樣。采樣時，將溶劑解析型活性炭采樣管連接于玻璃注射器及取樣口之間，采集100 mL氣體。當裝置出氣口濃度(co)、進氣口濃度(ci)達到相同，且保持30 min以上時，碳材料甲苯吸附達到飽和[16]。

分別稱取填充吸附劑吸附柱質量(m0)及吸附飽和吸附柱質量(m)，所得增量(m-m0)即為甲苯飽和吸附量。

1.7 甲苯濃度測定

采用北分瑞利SP-3420A氣相色譜儀和CS2溶劑解析法測定甲苯濃度。氣相色譜測定中，高純N2為載氣，純度99.99% H2為燃燒氣，凈化管凈化后空氣為助燃氣，氫火焰離子化檢測器；吸附柱溫度120℃，進樣口溫度150℃，檢測器溫度200℃。溶劑解析法中，活性炭置于1 mL CS2溶液中解析1 h后，取2 μL注入色譜儀進樣口。

2 結果與討論

2.1 微孔-介孔多級孔碳材料的表征結果

對MC-1進行N2吸附-脫附實驗，結果如圖3所示。

圖3 MC-1的N2-吸附-脫附等溫線

MC-1的N2吸附-脫附等溫線屬IUPAC分類中的Ⅳ型，H4滯后環(huán)[17]。H4型滯后環(huán)由狹縫孔產生，區(qū)別于粒子堆集，為類似由層狀結構產生的孔。圖4為MC-1孔徑表征結果。由圖4可知，MC-1孔徑主要分布于微孔和介孔。微孔部分產生3個高峰，分別分布于0.5～0.6、0.7～0.8和1.1～1.4 nm范圍；介孔部分孔徑主要分布于2～6 nm。計算得到，MC-1比表面積1104.08 m2/g，平均孔容0.52 cm3/g，平均孔徑4.08 nm。其中微孔孔容0.47 cm3/g，介孔孔容0.057 cm3/g。

圖4 MC-1的孔徑分布

圖5為MC-1的SEM和TEM照片。從圖5(a)可見，MC-1呈層狀結構，與N2等溫吸附-脫附曲線分析結果一致。從圖5(b)可見，MC-1的介孔分布無序，并且大小并不均一，為無序碳材料。相比于有序碳材料，無序碳材料由于空隙存在重疊，使其對于小分子的吸附能力強于有序介孔碳[18]。甲苯為小分子物質，所以MC-1對于甲苯有機廢氣的吸附要優(yōu)于有序介孔碳材料。

25℃下AC、MCM-41和MC-1對甲苯的吸附性能列于表1。由表1可知，相比于活性炭AC及其模板MCM-41，MC-1具有較高的飽和甲苯吸附量(qe)。這可能是由于微孔-介孔復合多級孔結構更有利于甲苯小分子的吸附。

2.2 改性微孔-介孔多級孔碳材料的表征結果

2.2.1 形貌和表面基團

采用質量分數(shù)20%硝酸溶液在45℃下改性8 h所得的MC-N 樣品的SEM、TEM照片示于圖6。由圖6(a)可見，MC-N仍呈層狀結構，但大孔比例比MC-1明顯增加。表明改性后，碳材料外觀并未有明顯變化，但由于硝酸將部分介孔結構之間的壁腐蝕穿孔，甚至完全腐蝕[19]，使其轉變?yōu)榇罂椎慕Y構。由圖6(b)可見，介孔部分孔徑并未有明顯變化，仍為較無序的孔結構。

圖5 MC-1的SEM和TEM照片

表1 25℃下AC、MCM-41和MC-1對甲苯的吸附性能

圖6 MC-N的SEM和TEM照片

采用紅外光譜分析MC-1、MC-N和吸附飽和后微孔-介孔多級孔碳材料(MC-A)的表面基團，結果示于圖7。

圖7 MC-1、MC-N和MC-A的FT-IR譜

采用EDS能譜對MC-1、MC-N進行元素組成分析，結果列于表2?？梢钥闯?，MC-1、MC-N的Si含量較低，表明改性前后的碳材料樣品均已脫除模板MCM-41；MC-N比MC-1的O含量明顯提高，表明改性后樣品的含氧基團含量增加。

表2 MC-1和MC-N元素分析結果

2.2.2 改性用硝酸含量對MC-N吸附性能的影響

采用不同含量硝酸溶液，在45℃下對MC-1改性12 h，得到MC-N樣品，然后進行甲苯氣體吸附實驗，得到單位質量MC-N甲苯吸附量和吸附穿透曲線示于圖8。

圖8 采用不同含量硝酸溶液改性的MC-N的甲苯吸附量和吸附穿透曲線

由圖8(a)可知，硝酸質量分數(shù)為20%時，改性所得MC-N對甲苯飽和吸附量最大，再增大硝酸含量，所得MC-N的甲苯飽和吸附量明顯下降。硝酸具有酸性和氧化性，對于碳材料的孔結構和表面基團具有較大影響。低含量硝酸由于氧化性和酸性有限，對于孔壁沒有太大影響，而會使碳材料表面酸性基團有所增加，表面極性提高，從而提高甲苯吸附量；而甲苯為弱極性分子，MC-N對甲苯分子親和力增大，從而提高碳材料甲苯飽和吸附量[21]。隨著硝酸含量提高，硝酸的氧化性及酸性進一步提高，可將部分的介孔結構之間的壁腐蝕穿孔甚至完全腐蝕[22]，使介孔結構聯(lián)通轉變?yōu)榇罂椎慕Y構，使得碳材料的吸附性能下降。

由圖8(b)可知，硝酸質量分數(shù)為20%時，改性所得MC-N樣品在100 min內對甲苯的吸附速率較小，這可能是由于微孔孔容提高的緣故；而后由于表面酸性基團影響，吸附速率又得以增大。當硝酸質量分數(shù)大于30%時，隨著改性硝酸含量的提高，改性所得MC-1對甲苯的吸附速率增大，達到飽和所需時間縮短，一方面可歸因于高含量硝酸對孔結構的破壞，另一方面歸因于酸性基團含量的提高。

2.2.3 硝酸改性時間對MC-N吸附性能的影響

采用20%硝酸溶液，在45℃下對MC-1改性不同時間，得到MC-N樣品，然后進行甲苯氣體吸附實驗，得到單位質量MC-N甲苯吸附量和吸附穿透曲線示于圖9。

圖9 采用含20%硝酸溶液改性不同時間(ta)的MC-N的甲苯吸附量和吸附穿透曲線

從圖9(a)可以看出，改性時間為12 h所得MC-N對甲苯的飽和吸附量最大；改性時間超過16 h 后，MC-N對甲苯飽和吸附量明顯下降。硝酸具有酸性和氧化性，在較短的作用時間內會使碳材料表面酸性基團增多，從而提高甲苯吸附性能；但隨著處理時間延長，硝酸的氧化程度增加，材料孔隙結構遭到破壞，導致吸附能力大幅下降[23]。由圖9(b)可以看出，隨著改性時間的增加，所得MC-N對甲苯的吸附速率增大，吸附達到飽和的時間縮短。這是由于隨著改性時間延長，碳材料表面吸電子團的酸性官能團增多；碳材料石墨層上自由π電子被吸走，其表面π電子云密度降低，降低了材料表面與甲苯之間色散力，從而加快吸附速率[14]；另一方面，無吸附作用的大孔含量增多，同樣導致吸附飽和速率提高。

2.2.4 改性溫度對MC-N吸附性能的影響

采用20%硝酸溶液，在不同溫度下對MC-1改性12 h，得到MC-N樣品，然后進行甲苯氣體吸附實驗，得到單位質量MC-N甲苯吸附量和吸附穿透曲線示于圖10。

圖10 采用含20%硝酸溶液不同溫度(T)下改性12 h的MC-N的甲苯吸附量和吸附穿透曲線

由圖10(a)可知， 60℃改性所得MC-N對甲苯的飽和吸附量最大，吸附飽和時間較長。溫度是影響反應進程的重要因素，合適的溫度使硝酸的酸性和氧化性充分發(fā)揮，使碳材料中的微孔孔容增加，而對于孔壁較厚的介孔沒有太大的影響。由圖10(b)可知，高于75℃改性時，較短時間內碳材料孔結構即被破壞，從而導致對甲苯吸附飽和過快，且吸附飽和量較低；當改性溫度低于60℃時，由于微孔孔容得到一定程度的擴增，所得MC-N在100 min 內對甲苯吸附速率較小，而后又由于酸性基團含量的提高，飽和速率總體呈現(xiàn)加快趨勢。

2.3 微孔-介孔多級孔碳材料最佳改性條件的確定

根據(jù)對硝酸含量、改性時間以及改性溫度等單因子的考察結果，設計以硝酸含量(A)、改性時間(B)和改性溫度(C)為因素的正交實驗，選定L9(34)型正交表進行實驗。L9(34)實驗因子水平設計列于表3；以MC-N為吸附材料，甲苯吸附量為考察標準，正交實驗直觀分析列于表4。

表3 用于優(yōu)化微孔-介孔多級孔碳材料改性條件的L9(34)實驗因子水平表

表4 以吸附量為指標的L9(34)正交實驗直觀分析數(shù)據(jù)

在表4中，除實驗(3)外，其他各組實驗的單位質量MC-N甲苯飽和吸附量均超過了0.4 g/g，吸附性能優(yōu)良，其中實驗(6)的結果最佳，單位質量MC-N吸附量達到0.687 g/g。由分析數(shù)據(jù)可得，改性溫度的極差最大，達到0.43；其次是硝酸含量，為0.417；改性時間的極差為0.226，因素從主到次依次為C、A、B，其中A因素與C因素的極差相差不大?？瞻捉M的極差為0.013，說明正交實驗可靠，數(shù)據(jù)可信。對應A因素列，K2>K3>K1；對應B因素列，K1>K3>K2；對應C因素列，K2>K1>K3。確定最優(yōu)方案為A2B1C2，即硝酸質量分數(shù)20%、改性時間10 h、改性溫度60℃。

從正交實驗結果可以看出，改性溫度對于改性碳的吸附性能影響最大，主要原因是溫度是影響反應進程的重要因素，在合適的溫度下，反應速率會得到很大提高；硝酸含量的影響也很明顯，硝酸含量直接決定了體系的氧化性和酸性，是決定性因素；改性時間也是重要影響因素，但是隨著反應進程的進行，硝酸會被逐漸消耗，所以時間的影響不如前兩者明顯。

3 結 論

(1) 以MCM-41分子篩為模板，蔗糖溶液為碳源，合成微孔-介孔多級孔碳材料，其比表面積可達1104.08 m2/g，平均孔容0.52 cm3/g，其中微孔孔容0.47 cm3/g，占總孔容89.15%。該碳材料具有層狀結構，兼有微孔及介孔。

(2) 微孔-介孔多級孔碳材料對模擬甲苯有機廢氣飽和吸附量為0.107 g/g。硝酸改性后，該碳材料對甲苯吸附性能得到明顯提高。硝酸酸性可提高微孔-介孔復合碳材料表面酸性官能團數(shù)量，硝酸氧化性對材料孔結構具有侵蝕、氧化作用，可使材料介孔結構侵蝕大孔結構。

(3) 微孔-介孔多級孔碳材料硝酸改性最佳條件為硝酸質量分數(shù)20%、改性時間10 h、改性溫度60℃，此條件下所得改性微孔-介孔多級孔碳材料的甲苯飽和吸附量可達0.687 g/g。

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YAN Xi1,2, LIU Fang1, GAO Ya1, FAN Fengtao1, DUAN Chenglong1,ZHAO Chaocheng1, SUN Juan1, LIU Chunshuang1

(1.CollegeofChemicalEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266555,China;2.DepartmentofEnvironmentalScienceandTechnology,SINOPECResearchInstituteofSafetyEngineering,Qingdao266071,China)

Organic waste gases emitted from petrochemical industry can cause air pollution, thus it is imperative to develop effective adsorbents. The micro-meso hierarchical porous carbon of high surface area was prepared by hard-template method with MCM-41 as hard-template, then was modified by nitric acid. And the effects of nitric acid concentrate, modification temperature and time on the adsorption properties of the prepared carbon material were discussed. The optimal modification conditions were obtained by orthogonal test according to the results of single factor experiments. The results showed that the specific area and average volume of the prepared carbon material were 1104.08 m2/g and 0.52 cm3/g, respectively, and the equilibrium adsorption amount of toluene was 0.107 g/g. The toluene equilibrium adsorption amount was increased of the carbon material after nitric acid modification. The optimized experimental conditions were nitric acid concentrate of 20%, modification time of 10 h and temperature of 60℃, under which the toluene adsorption value was 0.687 g/g.

micro-meso hierarchical porous carbon; nitric acid; modification; toluene; adsorption; petrochemical industry

2015-08-10

中國石油大學(華東)拔尖人才項目(RC2015011)資助

閆茜，女，碩士研究生，研究方向為環(huán)境污染控制技術；E-mail:yanxi19911024@163.com

劉芳，女，教授，主要研究方向為高濃度有機廢氣的深度處理及回用技術研究；Tel: 0532-86984668;E-mail: liufangfw@163.com

1001-8719(2016)06-1090-09

X511

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2016.06.002