活性炭吸附VOCs与其孔结构构效关系研究

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活性炭孔结构是影响其吸附性能的主要因素之一。本文首先选用四种商业活性炭,利用氮气等温吸附、扫描电子显微镜(SEM)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)测试了活性炭的物化性质。以甲苯、丙酮为吸附质,在温度为298.15K下进行了静态和动态吸附实验,研究了活性炭孔结构对其吸附性能、吸附动力学、表面覆盖率和吸附能的影响。结果表明:活性炭的比表面积和孔容是其吸附性能主要影响因素,孔径在0.8nm~2.4 nm和1.67nm~2.22 nm之间的孔容分别与甲苯和丙酮吸附量之间存在较好的线性关系。在快速吸附阶段,活性炭微孔或微孔、中孔为吸附速率主要制约因素;在颗粒内扩散阶段,微孔和表面孔或微孔为吸附速率的主要制约因素;在多层吸附阶段,中孔和大孔为吸附速率的主要制约因素。活性炭孔结构对其吸附特定物质的吸附能产生影响,甲苯、丙酮表面覆盖率小的活性炭吸附能大。其次,选用三种活性炭作为吸附剂,1,2-二氯乙烷作为吸附质,研究了吸附质在活性炭孔中的扩散机理。结果表明:活性炭在吸附1,2-二氯乙烷时优先利用微孔,并且在微孔容积无法满足吸附速率时开始利用中孔。微孔吸附贯穿吸附过程的外扩散阶段到颗粒内扩散阶段,而中孔利用据活性炭与吸附质结合作用的强弱分别贯穿吸附过程的多层吸附阶段和颗粒内扩散阶段、多层吸附阶段。活性炭中微孔、中孔和大孔的利用率与其极性呈负相关关系,而与其浓度呈正相关关系。最后,研究了活性炭孔结构对丙酮扩散系数的影响。结果表明:活性炭穿透时间与其比表面积和总孔容积呈正相关关系。活性炭吸附丙酮时,其扩散速度的主要制约因素为knudsen扩散。四种活性炭的综合扩散系数在0.808·10-9 m2/s-0.905·10-9 m2/s之间,等效扩散孔径在0.82 nm-1.26 nm之间。丙酮在被活性炭吸附过程中,其扩散系数呈现先迅速增大而后逐渐减小的趋势。吸附质分子的有效扩散系数在数值上相当于其时均扩散系数。
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