多孔炭材料上挥发性有机物吸附过程的研究

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进入二十一世纪,伴随着我国石油化工、制造业等的快速增长,环境污染问题日益严峻。其中空气污染由于污染程度深、影响范围大引起了政府与公众的极大关注。挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)是造成空气污染的主要因素之一。吸附法可浓缩回收大部分的有机气体,是一种有效的控制VOCs的技术。本文针对工业源排放的VOCs,采用多孔炭为吸附剂,研究了多孔炭材料上VOCs的吸附过程,阐明VOCs分子在多孔炭材料上的吸附机理及影响吸附剂吸附性能的主要影响因素。研究的主要内容及取得的成果和结论如下:  1,不同尺寸的VOCs分子在有序介孔炭上的吸附性能  采用溶剂挥发自组装的方法合成了有序介孔炭,其具有二维六方的直形孔道和较大的比表面积、孔体积。采用具有相同碳原子数、不同分子结构的苯、环己烷和正己烷作为吸附质,研究了三种吸附质在介孔炭上的吸附性能。  研究结果表明,由于具有较大的孔体积,介孔炭对三种吸附质的饱和吸附量均较高;但由于介孔炭微孔含量较低,因而动态吸附量远低于静态饱和吸附量。吸附动力学研究表明,由于具有较宽的孔径,吸附质在介孔炭上的扩散速率高于活性炭;且分子尺寸不同的吸附质,扩散速率相差不大。  2,吸附质在孔径调变介孔炭上的吸附性能  通过硬模板添加扩孔剂的方法合成了小介孔(3-8纳米)范围内孔径调变的有序介孔炭,所得到的介孔炭系列材料,其总孔容和微孔孔容均保持基本不变,孔径随着扩孔剂用量的增加依次增大。选择苯作为典型污染物,研究了苯在不同孔径介孔炭上的静态及动态吸附性能。  研究结果表明,在相同的吸附质浓度下,吸附质在介孔炭上的静态和动态吸附量均会随着孔径的增大而下降,等量吸附热也具有相同的变化规律,主要原因是由于孔道内势能叠加作用随着孔径的增加而降低。  3,活性炭疏水改性及对VOCs的吸附性能  为了提高传统吸附剂活性炭的疏水性能,增加高湿度条件下活性炭对VOCs的吸附量,采用三甲基氯硅烷、六甲基二硅胺烷和四氯化硅三种有机硅烷作为改性剂对活性炭进行疏水改性。采用各种表征手段考察了改性前后活性炭的结构、性质变化,并以苯为吸附质研究了改性前后活性炭在不同湿度情况下对VOCs的吸附性能。  研究结果表明,通过改性,有机官能团成功嫁接于活性炭表面,但同时会造成活性炭比表面积和孔体积的下降。吸附试验结果表明,在改性后单位比表面积上VOCs的吸附量有所增加,同时由于有机改性后活性炭总孔容和比表面积降低,在高湿度条件下,改性后的活性炭对VOCs的总吸附量有一定程度的下降。
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