活性炭纤维以及活性炭材料对甲醛吸附性能的研究

发布时间：2020-07-30 22:07

【摘要】：随着各种装修材料在室内装潢的使用,室内甲醛污染逐渐引起了广泛的关注和高度的重视。甲醛已经被世界卫生组织列为致癌和致畸物质,严重威胁着人类的身体健康。因此,开发以甲醛为代表的室内空气污染物消除和处理技术迫在眉睫。吸附法作为使用最广泛的甲醛处理方法,具有简单高效,成本低,可重复利用等优点。其中活性炭纤维以及活性炭这类多孔炭材料作为性能优异的吸附材料,具有比表面积大、孔容大、微孔数量多、性能稳定等特点,被广泛使用在甲醛以及其它气体的吸附处理中。其孔结构以及表面官能团对甲醛吸附的影响已经引起了广泛的关注,然而关于活性炭纤维和活性炭的孔径分布以及表面含氧官能团对甲醛吸附影响的研究较为有限。本文以一系列不同活性炭纤维(R-ACF、PAN-ACF、P-ACF)以及对针状焦进行碱活化制得的高比表面积活性炭为研究对象,通过硝酸、过氧化氢、空气进行氧化改性提升材料表面含氧官能团数量,以及负载乙二胺为材料引入一定的含氮官能团,对制备出的材料通过动态吸附法在固定床内测试室温下吸附剂对甲醛的吸附性能,探究活性炭纤维以及活性炭吸附甲醛的影响因素,为低浓度室内甲醛污染治理到高浓度工业甲醛脱除提供一定理论基础。主要结论如下:(1)首先以三种不同类型活性炭纤维(R-ACF、PAN-ACF、P-ACF)为原料研究了其甲醛吸附性能,发现孔径分布在0.9-1.8nm范围内的微孔数量多的活性炭纤维其甲醛的穿透容量较大,对甲醛的吸附性能较好。活性炭纤维表面含氮官能团数量越多,其甲醛吸附性能越好。(2)甲醛吸附性能主要由活性炭纤维样品孔径在0.9-1.8 nm之间具有的孔的比表面积和孔容的大小来决定,与总比表面积和孔容大小无关。经过浓HNO3氧化改性后的活性炭纤维样品甲醛穿透容量由22.90 mg/g增加至58.21 mg/g。活性炭纤维表面酸性含氧官能团(如酚羟基、内酯基、羧基等)数量的增加是活性炭纤维样品甲醛吸附能力提升的主要原因。(3)通过KOH对针状焦进行活化制得了不同比表面积和孔容的活性炭样品,其中AC7具有最大的比表面积(3552 m2/g)和孔容(2.12 cm3/g)以及最长的甲醛穿透时间,穿透容量为8.57 mg/g。将经过硝酸预处理的AC7进行乙二胺浸渍改性,改性后的AC7-HN03-EDA样品具有3.1h的甲醛穿透时间,穿透容量达到了24.91 mg/g。硝酸预处理使得活性炭表面产生大量酸性含氧官能团,这些官能团不仅有利于乙二胺的担载,同时对甲醛的吸附也能产生很好的效果。
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ342.742;O647.3
【图文】：

的氧化产物中分离制得。甲醛是生产酚醛树脂、脲醛树脂、维纶、乌洛托品、季戊四醇、逡逑染料、农药和消毒剂等产品的原料。是用途广泛、原料充足的大众化工产品。逡逑甲醛的球棍模型如图１．１所示。一个甲醛分子含有两个碳氢单键（Ｃ－Ｈ）和一个碳氧双逡逑键（Ｃ＝０），其中碳原子以三个ｓｐ２杂化轨道形成三个（５键。其中一个（Ｊ键是和氧原子形成逡逑的。这三个键在同一平面上。碳原子的一个ｐ轨道和氧的一个ｐ轨道彼此重叠起来形成逡逑一个７１键，与三个（Ｉ键所成的平面垂直。甲醛分子中含有羰基氧原子，而羰基氧原子上逡逑

孔和中孔为主，以便在１０－５００ｐｐｍ的浓度范围内具有更高的吸附容量。逡逑１．３．１邋活性炭（Ａｃｔｉｖａｔｅｄ邋Ｃａｒｂｏｎ，邋ＡＣ）逡逑活性炭（ＡＣ）（图１．２）是是一种微孔数量显著的多孔碳吸附剂，由基于石墨微晶和少量逡逑灰分的无定形结构碳组成。它以各种贝壳、竹炭、木炭、优质煤、石油焦等为原料，通逡逑过化学和物理方法对原料进行破碎、筛分、活化、漂洗、干燥和筛选等一系列工艺制备逡逑而成。在炭化期间，通过原料的热解分解，大部分非碳元素如氧、氢、氮和硫作为挥发逡逑性气态产物挥发。残留的碳原子将自身以随机方式交联的芳香片堆叠。这些芳香片的相逡逑互排列不规则，在片与片之间留有自由空隙，这些间隙产生的孔隙使活性炭成为性能优逡逑异的吸附剂。逡逑活性炭的主要成分是碳，并含有少量的氢、氧、硫、氮、氯等元素。这些元素对活逡逑性炭酸碱性、润湿性、吸附选择性、催化性能和导电性均有影响。ＡＣ按外观可分为颗逡逑粒活性炭（Ｇｒａｎｕｌａｒ邋Ａｃｔｉｖａｔｅｄ邋Ｃａｒｂｏｎ，邋ＧＡＣ）和粉末活性炭（Ｐｏｗｄｅｒ邋Ａｃｔｉｖａｔｅｄ邋Ｃａｒｂｏｎ，邋ＰＡＣ），逡逑两者均具有很大的比表面积，在５００－３０００ｍ２／ｇ之间，同时具有高度发达的孔隙结构，因逡逑此具有很强的吸附性能，是广泛使用的商业吸附剂。活性炭还具有良好的机械强度和化逡逑学稳定性

还具有更加优异的性能（如组装灵活、传质阻力小等）。使用不同的原料纤维可以制备不逡逑同基底的活性炭纤维，不同基底的活性炭纤维的制备工艺也不尽相同。以ＰＡＮ－ＡＣＦ和逡逑Ｐ－ＡＣＦ为例（图１．３），丙烯腈和煤焦油沥青首先发生聚合反应，然后经纺丝得到聚丙烯腈逡逑纤维和沥青纤维，通过预氧化使得纤维中的线型分子转化为热稳定的结构，在经过高温逡逑炭化去除前驱体中的氢元素和氧元素，最后用水蒸气、Ｃ０２等活化剂与纤维反应，通过逡逑生成大量气体分子进行活化造孔，最终制得聚丙烯腈基活性炭纤维和沥青基活性炭纤维逡逑［６１］。逡逑

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