改性活性炭的制備及其吸附解析效果研究

錢佳燕，趙彤，吳逸雨，徐陳紅

改性活性炭的制備及其吸附解析效果研究

錢佳燕，趙彤，吳逸雨，徐陳紅

（南通市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，江蘇 南通 226000）

實驗研究了改性活性炭對揮發(fā)性有機(jī)物的吸附解析效果。通過單因素實驗探討了浸漬液、浸漬時間、浸漬液濃度等因素對揮發(fā)性有機(jī)物的吸附解析效果，并通過掃描電鏡觀察了改性前后活性炭表面形貌的變化。結(jié)果表明：選擇硫酸銅，在浸漬時間24 h，浸漬液濃度1.5%，超聲頻率40%的條件下，吸附解析效果較好。

熱解析—氣相色譜；改性；活性炭；揮發(fā)性有機(jī)物

隨著生活水平的提高，人們對空氣質(zhì)量越來越重視，空氣中有害物質(zhì)的檢測關(guān)鍵在于采樣和分析，而采樣吸附管的吸附性能取決于其填裝材料，填裝材料是否合適，直接關(guān)系到測定結(jié)果的準(zhǔn)確性。普通的活性炭管無法實現(xiàn)對大氣中TVOC進(jìn)行全面富集的目[1-4]?；钚蕴扛男詣t是通過一定的方法改變活性炭的表面結(jié)構(gòu)，常用的改性方法有表面氧化法、表面還原法、化合物法等[5-11]。本研究采用新型改性活性炭填充于不銹鋼管，用于采集空氣中典型氣態(tài)有機(jī)污染物。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

TVOC標(biāo)準(zhǔn)溶液（正己烷、苯、三氯乙烯、甲苯、辛烯、乙酸丁酯、乙苯、對間二甲苯、苯乙烯、鄰二甲苯、壬烷、異辛醇、十一烷、十四烷、十六烷），800μg·mL-1，上海安譜實驗科技有限公司。

硫酸銅，分析純，純度99.0%，西隴化工股份有限公司。

高錳酸鉀，分析純，純度99.5%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

全自動熱解析儀，Auto TD A，成都科林分析技術(shù)有限公司。

電子分析天平，AL204，梅特勒-托利多儀器有限公司。

超聲波清洗器：KQ-500DE，昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 活性炭樣品預(yù)處理與改性活性炭樣品的制備

1.2.1 活性炭預(yù)處理

將商品活性炭進(jìn)行預(yù)處理，用蒸餾水進(jìn)行沖洗，沖洗3遍后，置于105 ℃烘箱中，烘干至恒重，冷卻后，取出，置于干凈的容器中密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 負(fù)載銅、錳制備改性活性炭

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1%、1.5%、2%的硫酸銅和高錳酸鉀溶液，將活性炭樣品置于250 mL干凈的錐形瓶中，加入150 mL已經(jīng)配制好的金屬溶液，將瓶口用瓶塞塞住，放入超聲中振蕩后靜置，將活性炭用蒸餾水洗凈，在高溫下煅燒，煅燒完全后冷卻至室溫。

1.3 實驗方法

取直徑6.37 mm，有效長度89 mm的不銹鋼管，在其內(nèi)部填充改性后的活性炭，兩端均裝有不銹鋼絲網(wǎng)和玻璃棉堵住活性炭。將液體樣品加入活性炭管中，經(jīng)過二次熱解析后，進(jìn)入氣相色譜儀進(jìn)行分析。

原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局第121號文《化工和危險化學(xué)品生產(chǎn)經(jīng)營單位重大生產(chǎn)安全事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)(試行)》[2]中將“構(gòu)成一級、二級重大危險源的危險化學(xué)品罐區(qū)未實現(xiàn)緊急切斷功能；涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級、二級重大危險源的危險化學(xué)品罐區(qū)未配備獨立的安全儀表系統(tǒng)”判定為重大生產(chǎn)安全事故隱患。

1.4 儀器工作條件

1.4.1 熱解析條件

一級解析時間：5 min，一級解析溫度：280 ℃；冷肼加熱時間：5 min；二級解析時間：5 min，二級解析溫度：300 ℃；脫附流量：40 mL·min-1。

1.4.2 色譜條件

載氣：氮氣；升溫程序：初始柱箱溫度50 ℃，初始柱溫的保持時間10 min，升溫速率5 ℃·min-1，柱箱終溫250 ℃，終溫保持時間2 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 浸漬液的影響

在浸漬時間48 h，浸漬液質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%，超聲頻率40%的條件下，分別將活性炭浸漬在硫酸銅和高錳酸鉀溶液進(jìn)行改性處理，改性完成后，將活性炭裝入不銹鋼管，往活性炭管中加入揮發(fā)性有機(jī)物，通過二次熱解析，進(jìn)入氣相色譜儀分別測定各有機(jī)物的峰面積來表征其濃度。實驗結(jié)果見圖1所示。

圖1 不同浸漬液改性活性炭對揮發(fā)性有機(jī)物吸附解析效果

由圖1可以看出，與原樣相比，采用硫酸銅和高錳酸鉀改性后的活性炭大大提高了各有機(jī)化合物的吸附解析效果，尤其對高沸點有機(jī)物吸附解析效果較好，采用硫酸銅改性后的活性炭對高沸點的有機(jī)化合物，如十一烷、十四烷、十六烷吸附解析效果優(yōu)于高錳酸鉀改性后的活性炭，因此本實驗選擇硫酸銅浸漬改性活性炭。

2.2 浸漬時間的影響

在浸漬液質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%，超聲頻率40%的條件下，將活性炭浸漬在硫酸銅溶液中，分別浸漬12, 24, 48, 60 h進(jìn)行改性處理，改性完成后，將活性炭裝入不銹鋼管，往活性炭管中加入揮發(fā)性有機(jī)物，通過二次熱解析，進(jìn)入氣相色譜儀分別測定各有機(jī)物的峰面積來表征其濃度。實驗結(jié)果見圖2所示。

由圖2可以看出，在其他條件相同的情況下 ，隨時浸漬時間的延長，改性后的活性炭管對有機(jī)化合物的吸附解析效率越來高，當(dāng)時間超過24 h后，解析效率提高緩慢，故選擇24 h為最佳操作條件。這可能是由于，隨著浸漬時間的延長，活性炭改性越完全，吸附解析效果越好。

2.3 浸漬濃度的影響

將活性炭浸漬在硫酸銅溶液中，在浸漬時間為48 h，超聲頻率40%的條件下，分別在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的浸漬液中進(jìn)行改性處理，改性完成后，將活性炭裝入不銹鋼管，往活性炭管中加入揮發(fā)性有機(jī)物，通過二次熱解析，進(jìn)入氣相色譜儀分別測定各有機(jī)物的峰面積來表征其濃度。實驗結(jié)果見圖3所示。

圖2 不同浸漬時間改性活性炭對揮發(fā)性有機(jī)物吸附解析效果

圖3 不同浸漬液濃度改性活性炭對揮發(fā)性有機(jī)物吸附解析效果

由圖3可以看出，在其他條件相同的情況下，浸漬液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，改性后的活性炭管對有機(jī)化合物的吸附解析效率最高，之后隨著浸漬液濃度的增加，吸附解析效率則逐漸降低，這是因為當(dāng)浸漬液濃度過低時，負(fù)載不均勻?qū)е禄钚蕴坎荒芡耆罨?，所以吸附解析效率低。?dāng)浸漬液濃度過高時，可能會堵塞部分孔道，從而降低其吸附解析效率。

2.4 活性炭樣品表面形貌

活性炭樣品表面形貌觀察：使用掃描電子顯微鏡（SEM），型號EVO：MA-15（德國ZEISS公司）。設(shè)定掃描電鏡測試條件：加速電壓20 kV，掃描模式為二次電子振蕩模式，工作距離（WD）為13.5 cm，電子束斑SS為30，在1 000倍下，對活性炭的表面形貌進(jìn)行表征，比較改性前后，活性炭表面形貌發(fā)生的變化。結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 改性前活性炭的表面形貌

圖5 改性后活性炭的表面形貌

由圖4可知，原樣活性炭孔結(jié)構(gòu)不太明顯，孔道內(nèi)有雜質(zhì)填充。由圖5可以看出，經(jīng)硫酸銅改性后活性炭，其孔道結(jié)構(gòu)明顯不同于未改性的活性炭，改性后活性炭的表面孔道更加明顯，更加疏松，活性炭的比表面積更大，這可能是由于活性炭在負(fù)載了硫酸銅，經(jīng)過高溫煅燒過程中，發(fā)生了非催化的氣化反應(yīng)而產(chǎn)生了微孔結(jié)構(gòu)，從而增加了活性炭的孔道和比表面積。

3 結(jié) 論

采用硫酸銅對活性炭進(jìn)行改性，在超聲頻率40%時，選擇浸漬液質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%，浸漬時間24 h為最優(yōu)改性條件，大大提高了改性后的活性炭管對有機(jī)化合物的吸附解析效率。并采用SEM對改性前后的活性炭表面形貌進(jìn)行觀察，改性后的活性炭表面孔道更加疏松，比表面積更大，更加有利于揮發(fā)性有機(jī)物的吸附解析，可應(yīng)用于空氣質(zhì)量檢測中有害物質(zhì)的富集和解析。

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Study on Preparation of Modified Activated Carbon and Its Adsorption and Resolution Effect

,,,

（Nantong Products Quality Supervision and Inspection Institute, Nantong Jiangsu 226000, China）

The adsorption and resolution of volatile organic compounds on modified activated carbon were studied. The effect of immersion solution, immersion time and concentration on VOCs adsorption and resolution was investigated by single factor experiment. The surface morphology of activated carbon was observed by scanning electron microscope before and after modification. The results showed that the adsorption and resolution effect of VOCs was better under the conditions of using copper sulfate, 24h immersion time, 1.5% immersion mass fraction and 40% ultrasonic frequency.

Thermal resolution-gas chromatography; Modification; Activated carbon; Volatile organic compounds

TQ424.1

A

1004-0935（2022）02-0160-03

江蘇省市場監(jiān)督管理局科技項目（項目編號：KJ207509）。

2021-11-12

錢佳燕（1987-），女，江蘇省南通市人，工程師，碩士，2012年畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，研究方向：環(huán)境監(jiān)測。