多孔碳材料对二噁英吸附特性的机理研究

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随着垃圾焚烧在中国生活垃圾无害化处理中的比重逐渐加大,垃圾焚烧过程中的二嗯英排放问题也日渐突出。由于成本相对较低且移除效率高,活性炭吸附的方法依然是目前垃圾焚烧企业脱除烟气中二嗯英最广泛采用的方法。但目前的研究对二嗯英在活性炭上的吸附机理、适于吸附二嗯英的活性炭的选择与应用等方面还存在欠缺和不足。本文围绕二嗯英在活性炭和碳纳米管上的吸附特性这一主题,开展了如下研究并取得了一些有价值的结论,主要包括:1)采用二嗯英发生源系统,选取了三种具有典型孔隙的活性炭进行17种有毒二嗯英异构体吸附的对比分析。发现在150℃下,中孔率较高且孔径分布较宽的椰壳活性炭对二嗯英的吸附效率最高,其毒性当量的移除效率为96.6%;微孔为主的褐煤活性炭最低,仅为81.7%。结果显示,活性炭的孔容积与二嗯英移除效率间的相关性较好(R2>0.93),而比表面积与移除效率的相关性则较差(R2<0.48)。褐煤活性炭对17种异构体的移除效率随氯代水平的增大而增大。2)根据二嗯英吸附对活性炭孔隙的要求,采用Fe(NO3)3溶液浸渍,耦合高温CO2活化的方法对活性炭的孔径进行定向改造。研究了活化过程中的浸溃比、活化温度、活化时间对活性炭孔隙变化的影响。结果表明,浸渍Fe(NO3)3对C-CO2反应具有良好催化促进作用,增加了原始活性炭表面碳气化反应的活性位点,加快了碳表面的侵蚀,能使活性炭的孔隙率变大。浸渍比1%的活性炭在900℃下活化3h后,得到了中孔率高达97.5%的改性活性炭。3)对比研究了未改性活性炭、改性活性炭和商业多壁碳纳米管这3种碳材料对17种有毒异构体和136种4~8氯代异构体的吸附特性。在相同实验条件下,孔隙率较低的多壁碳纳米管对二嗯英总的移除效率最高。在50℃~250℃的吸附温度范围内,碳纳米管对二嗯英的吸附效率随着吸附温度的升高而缓慢地从82.4%升高到了93.5%。当温度继续升高到300℃,由于二嗯英的再生成作用,移除效率下降到-62.3%。在对136种异构体的研究中发现,二嗯英同系物的移除效率和它的平均饱和蒸汽压之间呈现类似于指数函数的关系,而移除效率与异构体初始浓度则并无趋势性的关系。4)研究了商业木质活性炭在正己烷中对17种有毒二嗯英异构体的吸附特性,通过改变溶液的初始浓度和活性炭的添加量分析了活性炭对液相中二嗯英的移除效率、指纹特性。该低孔隙率的商业木质活性炭对二嗯英具有非常高的吸附效率,在二嗯英的初始浓度为0.7μg/L~3.6μg/L的范围内,1.0 g活性炭在25℃下对二嗯英总的毒性当量的移除效率大于99.5%。且吸附量随着初始浓度的增加而呈线性增大趋势(R2>0.98)。线性相关系数R2表明吸附平衡量(Qe)和溶液平衡浓度(Ce)间成线性关系(R2>0.99),Henry线性吸附等温线更适合用于液相中二嗯英这种痕量浓度的有机物在活性炭上的吸附。
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