高导热系数复合活性炭的制备及其在甲苯吸附-微波脱附中的应用

摘要

挥发性有机污染物（VOCs）对人体健康、大气环境和人类社会的可持续发展造成了严重的危害，已引起社会公众和政府的极大关注。吸附技术凭借操作简单、工艺成熟、实用性强等特点，能够较大范围地捕获VOCs，已成为治理中、低浓度VOCs的有效方法。VOCs能否完全脱附、吸附剂能否高效再生及多次循环使用是吸附技术的关键，决定了整个吸附过程的效率和经济性。微波由于特殊的体加热方式和不需媒介就能对物质进行选择性快速加热的特点，在强化脱附和吸附剂再生方面有着很好的发展前景。然而，目前吸附剂的微波再生技术要大规模实用化仍然存在一些技术瓶颈问题，这其中除了微波脱附的机理不明、模型缺乏以及微波加热器件及技术本身的问题外，现有吸附剂对微波再生技术的适应性也极大地制约了微波再生技术的发展。传统活性炭在微波再生过程中由于自身导热滞后会引起活性炭发红现象，在氧气气氛中甚至会由于局部过热而燃烧，不仅导致活性炭再生后的质量损失和吸附容量的降低，也增加了微波再生活性炭操作的危险性，阻碍了微波脱附再生工业化的进程。因此，针对以上问题开发新型微波适用型活性炭具有推动微波脱附再生大规模工业化应用的重要意义。
　　 本文从吸附剂自身的导热性能入手，制备出具有较高导热系数的复合活性炭，并通过考察制备过程中的主要影响因素对复合活性炭的孔结构及吸附性能的影响，确定了较优化的复合活性炭制备工艺条件。制备出的复合活性炭中最高的导热系数可以达到不含膨胀石墨的活性炭导热系数的12倍、商业活性炭的13倍。
　　 本文将自制复合活性炭、自制活性炭及商业活性炭用于甲苯吸附/微波脱附再生过程，通过比较微波脱附流出曲线，初步考察饱和复合活性炭、自制活性炭及商业活性炭的微波脱附过程，确定微波脱附的实验条件。同时，还进行了活性炭的多次甲苯吸附/微波脱附再生过程，通过比较上述三种活性炭的微波脱附再生效率、微波再生前后活性炭的孔结构和比表面积，考察活性炭导热性能对其脱附再生过程的影响。
　　 本文通过测量为甲苯饱和的自制复合活性炭、自制活性炭和商业活性炭装填床层在微波场中的温度变化，绘出不通氮气情况下活性炭床层的温升曲线。从三种活性炭达到同一高温（甲苯从活性炭上脱附下来的温度）所需的微波功率高低间接地描述活性炭的导热性能，即：达到同样温度所需微波功率越低，表明该活性炭越能快速地将吸收微波而产生的热量沿温度梯度方向在床层内部传递均匀，在实际微波脱附过程中能更加及时地消除因导热性能低下引起的温度梯度，有效地避免热量积聚引起的局部过热，成为真正意义上的微波适用型活性炭。这是本文的创新之处。
　　 为了确定甲苯从活性炭上脱附下来的温度范围，本文依据相同条件下热脱附所需脱附温度高于微波脱附、持续时间更长的特点，通过程序升温热脱附（TPD）实验，确定甲苯在实验涉及的三种活性炭上的热脱附参数，即：Tp和微波脱附曲线达到峰值的时间，为进行三种活性炭在微波场中导热性能的比较提供参考数据。这也是本文的创新之处。
　　 本文还利用微波场中脱附活化能的估算模型对甲苯在自制复合活性炭和商业活性炭上的微波脱附活化能进行估算。结果表明，甲苯在复合活性炭上的微波脱附活化能（12．88KJ/mol）小于它在商业活性炭上的微波脱附活化能（26．71KJ/mol），从理论的高度初步探讨活性炭导热性能优劣对其微波脱附再生过程产生影响的机理。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

引言

1.1 VOCs的吸附技术研究进展

1.1.1 常用于VOCs治理的吸附剂概述

1.1.2 活性炭再生技术研究进展

1.2 微波辐射脱附再生

1.2.1 微波辐射脱附再生的理论基础

1.2.2 微波加热与常规加热的比较

1.2.3 微波辐射脱附再生的研究进展

1.2.4 微波辐射脱附再生技术的初步工业化

1.3 吸附剂导热性能的强化

1.3.1 吸附材料导热性能的强化方法

1.3.2 高导热系数复合活性炭的研究现状

1.4 本论文的研究思路及研究内容

1.4.1 研究思路

1.4.2 研究内容

第二章 高导热系数复合活性炭的制备及吸附性能的研究

引言

2.1 实验部分

2.1.1 实验原料与化学试剂

2.1.2 实验仪器与设备

2.1.3 色谱用气

2.1.4 核桃壳基复合活性炭的制备

2.1.5 复合活性炭的表征

2.2 实验结果与讨论

2.2.1 甲苯标准工作曲线的绘制

2.2.2 吸附透过曲线的测定

2.2.3 核桃壳颗粒大小对复合活性炭孔结构及吸附性能的影响

2.2.4 混合时间对复合活性炭孔结构及吸附性能的影响

2.2.5 热处理时间对复合活性炭孔结构及吸附性能的影响

2.2.6 原料配比对复合活性炭孔结构及吸附性能的影响

2.2.7 膨胀石墨含量对复合活性炭孔结构、吸附及导热性能的影响

2.2.8 复合活性炭与商业活性炭的性能比较

2.3 本章小结

第三章 复合活性炭在甲苯吸附/微波脱附中的应用

引言

3.1 实验部分

3.1.1 实验原料与化学试剂

3.1.2 实验仪器与设备

3.1.3 色谱用气

3.1.4 活性炭的微波脱附再生实验

3.1.5 活性炭的多次甲苯吸附/微波脱附实验

3.2 实验结果与讨论

3.2.1 微波辐射脱附过程讨论

3.2.2 活性炭的甲苯多次吸附/微波脱附再生过程

3.3 本章小结

第四章 高导热系数复合活性炭上甲苯的微波脱附活化能估算

引言

4.1 微波脱附活化能估算模型

4.2 实验部分

4.2.1 实验原料与化学试剂

4.2.2 实验仪器与设备

4.2.3 色谱用气

4.2.4 微波脱附中活性炭床层温度的测量

4.2.5 活性炭导热性能对其微波脱附再生影响的间接描述

4.2.6 不同活性炭上的TPD实验

4.3 实验结果与讨论

4.3.1 活性炭的TPD实验

4.3.2 不同种类活性炭导热性能的间接比较

4.3.3 微波场条件下甲苯在不同类型活性炭上的脱附活化能

4.3.4 甲苯在不同活性炭上的微波脱附活化能估算误差讨论

4.4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢