蚯蚓粪吸附剂的制备及其对VOCs吸附特性的研究

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吸附法处理涂装VOCs是一种净化效率高且应用广泛的工艺,但目前由于常用的活性炭价格昂贵且伴随二次污染,导致涂装车间VOCs治理不理想,故探索低成本、净化效率高的新型吸附剂尤为重要。蚯蚓粪不仅廉价易得,而且含有大量的单质碳、有机物和部分铝硅酸盐类物质,通过不同的改性方法能不断优化制备蚯蚓粪吸附剂,探讨最终优化的改性蚯蚓粪的应用潜势,初步分析其净化VOCs的机理,同时优化其在固定床中吸附VOCs的工艺参数,为实现蚯蚓粪资源化利用,推进涂装行业有机废气的治理进程存在着重大意义。本文的主要结论如下:(1)在无机复配试剂改性蚯蚓粪的方法中,发现经体积比1:2混合的ZnCl2:H3PO4改性后的蚯蚓粪吸附效果最好,采用单因素与多因素结合分析,确定了无机化学改性蚯蚓粪吸附剂(ICMV)的最佳制备工艺条件为:活化温度为600℃,蚯蚓粪与复配试剂的质量比为1:3,活化时间为2h。表征发现,在该条件下制备的600-ICMV具备较高的比表面积,高达160.271m2/g,是蚯蚓粪原样的26.33倍,平均孔径为3.3381nm,属于高度有序的介孔吸附剂。600-ICMV中无定型非晶态SiO2和Al2O3显著增加,使其本身的硬度和吸附活性增强。因600-ICMV表面的非极性官能团较少,能参与VOCs化学吸附反应的活性位点不多,对疏水性VOCs的吸附作用力主要以范德华力为主。(2)在无机-有机化学复合改性蚯蚓粪的方法中,发现600-ICMV经壳聚糖盐酸盐改性生成的吸附剂(OICAV)具备更好的吸附能力,通过控制变量法确定最佳制备工艺条件为:壳聚糖盐酸盐浓度为30g/L,改性反应时间为3h,改性反应温度为30℃。表征发现,在该条件下制备的壳-OICAV因微孔被壳聚糖盐酸盐填充,其比表面积相比于600-ICMV有所下降,为61.2387m2/g,平均孔径为15.7111nm。但是,壳聚糖盐酸盐能均匀分布在硅铝酸盐和炭物质表面,增强了两者间的协同吸附效应。另外,在不破坏600-ICMV表面化学结构的前提下,壳聚糖盐酸盐与极性基团反应添加了-CH2和-NH疏水基团,参与VOCs化学吸附反应的活性位点明显增多,对甲苯、乙苯和乙酸乙酯的吸附量约是600-ICMV的1.3倍。(3)为探索600-ICMV和壳-OICAV吸附VOCs的应用潜势,将其与煤质活性炭和5A分子筛对比发现,改性蚯蚓粪的吸附性能远不及市售的活性炭,但壳-OICAV对甲苯的吸附量与5A分子筛相比仅相差14.3mg/g,说明壳-OICAV具备较优的吸附性能。(4)对600-ICMV和壳-OICAV的吸附等温线进行拟合,发现600-ICMV和壳-OICAV均符合Langmuir方程和Freundlich方程,但Langmuir方程更能描述甲苯在改性蚯蚓粪表面的吸附平衡关系。说明改性蚯蚓粪不仅存在范德华力为主导的物理吸附作用力,还存在官能团带来的化学吸附作用力。(5)考察负载改性蚯蚓粪的固定床对甲苯的动态吸附过程发现,当固定床中吸附温度为25℃,进气流速为600750L/h,改性蚯蚓粪的添加量不低于9g时,对涂装车间大风量、低浓度的VOCs净化效果较好。
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