泡沫活性炭的制备及其对挥发性有机化合物的吸附性能研究

摘要

挥发性有机化合物(Volatile organic compounds，VOCs)对环境的污染和人体的健康危害引起了极大重视，急需加以有效治理。活性炭吸附法处理VOCs因具有经济有效的特点而成为最常用的污染控制方法。吸附法的关键在于吸附剂的性能，研究开发新型吸附材料对于VOCs的治理具有重要的意义。
　　 本研究课题以中间相沥青和原煤为主要原材料，在高温高压下发泡成型，经过炭化以及水蒸气活化，制得了比表面积为700m2/g左右、横纵向压缩强度均为0.5MPa左右的泡沫状整体结构活性炭(Monolithic Activated Carbon Foam，MACFoam)，对其理化性能和流体力学性能进行了系统地测试，选取苯、甲苯、丙酮、乙酸乙酯为VOCs代表物，研究了单组份和双组份吸附质在泡沫活性炭床层上的吸附行为，并与目前常用的挤压成型蜂窝活性炭和粒状活性炭进行了对比研究。
　　 由于含有大量相互连通的微米级泡沫孔(＞300μm)，所制备的泡沫活性炭具有良好的透气能力，相同实验条件下，泡沫活性炭床层的压力降与粒径为0.9mm的粒状活性炭床层大致相当，因此可以作为吸附器的装填材料使用。
　　 泡沫活性炭的比表面积达到700m2/g左右，因此对苯具有良好的吸附能力。和普通活性炭相比，由于其中孔发达，中孔容积可以达到0.2ml/g以上，因此具有良好的再生性能，经过10次吸脱附循环后，对苯的饱和吸附量基本保持不变。
　　 通过对单组份不同吸附质初浓度、不同气流比速下泡沫活性炭床层穿透曲线和透过行为的研究，Yoon-Nelson方程对于预测单组份吸附质在泡沫活性炭床层上的穿透行为具有较好的符合度。
　　 在苯-甲苯以及丙酮-乙酸乙酯双组份体系中，由于存在竞争吸附作用，吸附能力较弱的苯和丙酮在泡沫活性炭床层上的穿透曲线均出现了明显的“驼峰”，随着吸附时间的延长，之前所吸附的苯和丙酮部分被吸附能力更强的甲苯和乙酸乙酯所取代，使得在“驼峰”阶段苯和丙酮的出口浓度高于其初浓度，之后二者逐渐达到吸附平衡。
　　 利用Wheeler方程对泡沫活性炭、MJ-09粒状活性炭和TF-1蜂窝活性炭床层吸附苯、丙酮和乙酸乙酯的穿透曲线进行计算，泡沫活性炭与MJ-09粒状活性炭吸附性能相似，明显优于TF-1蜂窝活性炭。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2 VOCs污染控制技术

1.3活性炭的发展

1.4成型活性炭的制备方法及研究进展

1.5活性炭的孔隙结构

1.6活性炭的孔隙结构的表征

1.6.1吸附等温线

1.6.2吸附等温线方程

1.7活性炭固定床层吸附动力学理论

1.8选题意义和研究内容

1.8.1本课题的背景和研究意义

1.8.2本课题的研究内容

第二章实验部分

2.1实验原料及仪器设备

2.1.1实验试剂

2.1.2活性炭材料

2.1.3实验仪器设备

2.2实验装置及流程

2.3分析测试方法

2.3.1泡沫活性炭收率和烧失率

2.3.2 VOCs浓度的测定

第三章泡沫活性炭的制备及相关表征测试

3.1引言

3.2实验过程

3.2.1泡沫活性炭的制备

3.2.2活性炭材料灰分的测定

3.2.3材料表征

3.2.4泡沫活性炭抗压强度测试

3.2.5流体力学性能测试

3.3结果与讨论

3.3.1泡沫活性炭的制备

3.3.2活性炭材料灰分的测定

3.3.3泡沫活性炭表面元素含量分析

3.3.4泡沫活性炭的扫描电镜测试

3.3.5泡沫活性炭的比表面积和孔隙结构

3.3.6泡沫活性炭的抗压强度

3.3.7泡沫活性炭的压力降

3.4本章小结

第四章泡沫活性炭吸附脱除苯系物性能的研究

4.1引言

4.2实验过程

4.2.1活性炭材料

4.2.2吸附动力学过程

4.3结果与讨论

4.3.1吸附过程的吸附传质区(MTZ)和Yoon-Nelson理论方程

4.3.2泡沫活性炭床层对苯的吸脱附循环

4.3.3单组份苯和甲苯的初浓度对吸附穿透行为的影响

4.3.4气流比速对MACFoam床层吸附穿透行为的影响

4.3.5气流湿度对MACFoam床层吸附苯的穿透行为的影响

4.3.6苯和甲苯双组份在MACFoam床层中的吸附穿透行为

4.3.7三种活性炭材料对苯的吸附性能对比研究

4.4本章小结

第五章泡沫活性炭吸附脱除丙酮和乙酸乙酯的研究

5.1引言

5.2实验过程

5.2.1活性炭材料

5.2.2吸附动力学过程

5.3结果与讨论

5.3.1相关的理论计算公式

5.3.2丙酮初浓度对MACFoam床层穿透曲线的影响

5.3.3气流比速对MACFoam床层穿透曲线的影响

5.3.4丙酮和乙酸乙酯双组份在MACFoam床层上的吸附穿透行为

5.3.5三种活性炭材料对丙酮和乙酸乙酯的吸附性能研究

5.4本章小结

第六章结论、创新点及下一步工作建议

6.1论文主要结论

6.2论文的创新点

6.3下一步研究工作的建议

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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