CN100581647C - 有机组分负载型炭鳌合吸附剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用有机组分负载在活性炭上的炭鳌合吸附剂，是以活性炭为载体，采用浸渍法将有机组分负载到活性炭载体上，有机组分分布在活性炭的孔道上；所述的吸附剂的制备方法，包括：将有机组分溶于有机溶剂中；经抽真空处理的活性炭浸没在浸渍液中；脱除溶剂；用去离子水充分浸泡、洗涤；过滤、干燥，得到吸附剂；使用该吸附剂在常温下通过吸附工艺即可有效地脱除过氧化氢(H2O2)溶液中的有机杂质以及Al、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Nb、Mo、Ag、Sb、W、Hg等多种金属元素杂质，同时还能够抑制单纯使用活性炭对过氧化氢造成的催化分解作用，本发明的吸附剂适用于过氧化氢溶液，特别是有机杂质含量大的工业过氧化氢溶液的纯化。
Description
技术领域
本发明涉及有机组分负载型炭鳌合吸附剂及其制备方法。
本发明还涉及所述吸附剂用于纯化过氧化氢(H2O2)溶液的方法。
背景技术
过氧化氢(H2O2)在工业上有着广泛的应用，如化学合成、植物纤维的漂白，废水处理以及作为化学抛光液的主要组分。在这些领域上的应用，对过氧化氢中的杂质一般没有特别的要求。而在半导体制造工业中，过氧化氢溶液是一种重要的加工化学品，通常用于大规模集成电路的清洗工艺(湿化学处理过程)，如和硫酸、氨水、盐酸的配合使用。该过程要求这些加工助剂(或试剂)具有极高的纯度，包括有极低的有机物含量(TOC)，极小的金属离子和各种阴离子浓度。
目前，过氧化氢的工业生产主要采用的是蒽醌法。这种方法生产的过氧化氢溶液中往往带有残留的烷基蒽醌及其衍生物，C8~10的重芳烃、磷酸酯、稳定剂等多种有机物杂质，以及由设备、管线等带来的各种金属离子杂质。由于过氧化氢分子所具有的非对称链状结构及过氧键的存在，使过氧化氢分子易于自发分解。杂质、PH值、温度、辐射、容器的粗糙表面等均会加快过氧化氢分解。因而过氧化氢在生产、应用、储存和运输过程中都是种极不稳定的化学品。
过氧化氢溶液中含有的有机杂质通常用总有机碳(TOC)来表示。而除去有机杂质的方法主要有蒸馏、树脂吸附、吸附剂吸附、膜分离等。
一般而言，用蒽醌法生产的过氧化氢，传统上是用蒸馏法精制，其能耗高，受热时间长，而过氧化氢受热易分解，其所含有的有机物使得精制过程存在一定的安全隐患，挥发性的有机物也不易有效除去，另外过氧化氢的得率也不高。
用树脂精制过氧化氢溶液方法用的最多。使用阴、阳离子交换树脂脱除溶液中的阴、阳离子是广为人知的技术，但用一般的离子交换树脂对溶液中的有机物杂质是很难有效去除的。用于溶液中的有机物的吸附一般使用的是吸附树脂。这类树脂一般不含离子交换基团，是内部形成交联网络结构的高分子吸附剂，具有一定的孔结构和比表面积，理化性质稳定，耐酸、碱，对有机溶剂也有一定的承受力。一般可分为非极性、弱极性、极性和强极性四大类。由于不带有酸、碱功能基，故不能发生离子交换反应。其吸附性是由于范德华引力或氢键力的结果。另外，由于吸附树脂孔结构的不同，所造成分子扩散的空间效应可用来选择吸附某些特定的有机物。但是，基于吸附树脂这类高分子材料的结构的特点，对于象过氧化氢溶液中众多有机物的脱除，要对包括不同的分子结构、不同极性的有机物一起吸附脱除的情况，其效果就受到一定的限制。另外，由于树脂吸附容量比较小，而且溶液中的有机物还很容易造成树脂的污染，会降低树脂的吸附能力，对于TOC大的情况下吸附则显得不合适。此外，由于树脂吸附或离子交换系统一般都是在密闭空间中(如吸附柱和离子交换柱)进行，由于过氧化氢的不稳定性，加上有机物在树脂上的累积还容易造成安全隐患。
活性炭是广泛使用的吸附剂。一般而言，由于其具有发达的孔隙结构及大的比表面积，因而对气相和液相中的有机物都具有极好的吸附作用。但是对于象过氧化氢溶液这样的体系，研究表明，活性炭的吸附过程会加剧过氧化氢的分解，关于过氧化氢催化分解机理的论述众多，有链式反应、氧化还原反应、游离基反应、过氧化合物中间物形成理论、扩散机理、吸附机理等等。活性炭孔道中残存的一些金属元素(如Fe、Mn、Cu等)以及过氧化氢水溶液中的一些痕量金属离子也会加快过氧化氢分解。除金属离子引起过氧化氢均相催化分解外，金属固体微粒及离子还可能引起过氧化氢的多相催化分解和络合物催化分解。此外，在活性炭存在的情况下，一些阴离子也可能使过氧化氢催化分解。这是活性炭基吸附剂的最大缺点。
US 5342602采用的是沸石吸附技术。采用低铝H-Y型或H型沸石，在10～30℃下，将待净化的过氧化氢溶液以间歇或连续的方式通过一个环流反应器，与被处理成粉状或柱状的沸石混合，经过几次循环处理，可以使过氧化氢中的有机碳质量分数降低到原来的10％～20％。按照其实施例，TOC可以降到44ppm。该技术不会使过氧化氢分解，沸石再生方便，但净化的产品中有机碳含量没有达到电子级产品的要求。
此外还有膜分离法、萃取法和重结晶法的过氧化氢的精制过程。膜分离法虽然能去除有机物，设备及工艺简单，生产条件温和、操作可靠简便。但对膜材料质量要求高，使用寿命短。萃取法操作简单，有机杂质去除率高，物耗、能耗较低，但对设备要求高、投资较大。而重结晶法可获得高浓度、高纯产品，但须在低温冷冻条件下进行，耗能极高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有活性炭基吸附剂容易造成过氧化氢分解，且对过氧化氢溶液中金属离子脱除能力不足的问题，提供一种有机组分负载型炭螯合吸附剂。通过添加特定的有机组分对所选活性炭进行负载改性，可抑制活性炭对过氧化氢的分解促进作用，又能较好地保持对过氧化氢溶液中各种有机物的吸附能力，另外还可以对过氧化氢溶液中的多种金属离子进行螯合脱除。
本发明还提供了一种有机组分负载型炭螯合吸附剂的制备方法。
本发明的另一个目的在于提供一种所述吸附剂用于纯化过氧化氢溶液的方法，过氧化氢溶液通过上述有机组分负载型炭螯合吸附剂的吸附，过滤后即可对其中的有机杂质和多种金属离子进行有效脱除并达到纯化的目的。
本发明的有机组分负载型炭鳌合吸附剂，以活性炭为载体，有机组分采用浸渍法负载到活性炭载体上，且分布在活性炭的孔道上，有机组分占吸附剂重量的0.05～10％；优选1.0～8.0％。
所述有机组分包括8-羟基喹啉(I)、环烷酸(II)和叔碳羧酸(III)，其中，8-羟基喹啉(I)占有机组分总量的60.0～99.0％重量，环烷酸(II)占有机组分总量的0～40.0％重量，叔碳羧酸(III)占有机组分总量的0～40.0％重量。
所述8-羟基喹啉的化学结构式为：
所述环烷酸的化学结构式为：
其中R＝H、CH3；n＝0，1，2；
所述叔碳羧酸的化学结构式为：
其中R1，R2＝CnH2n+1；n＝1，2，3。
所述有机组分占吸附剂重量的1.0～8.0％。
所述活性炭的BET法比表面积在600～1300m2/g，孔径分布在0.5～100nm。
所述活性炭的BET法比表面积在900～1100m2/g，孔径分布在1～30nm，且孔径分布的主要峰值在1.2～1.5nm处。
所述的吸附剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将有机组分溶于有机溶剂中，得到浸渍液；所述有机溶剂为乙醇、丙酮或四氢呋喃中的一种或几种；
(2)经抽真空处理的活性炭浸没在浸渍液中，缓慢搅拌，浸渍时间为0.1～72小时；溶剂与活性炭的质量比为2.0～3.5∶1，优选2.2～2.8∶1。
(3)在50～80℃下，真空度在9.5×104Pa或以上，保持0.5～4小时脱除溶剂；
(4)用去离子水充分浸泡、洗涤；
(5)过滤、干燥，得到吸附剂。
经抽真空处理的活性炭由下述方法制备得到：活性炭先用浓度为5～15％重量的稀酸溶液进行浸泡、滤干、然后用去离子水反复洗涤，烘干待用；所用稀酸可为盐酸或硝酸，优选盐酸。稀酸的浓度优选8～12％重量。
在真空度9.5×104Pa或以上，保持2～4小时。
所述的吸附剂用于纯化过氧化氢溶液的方法，是将所述吸附剂加入过氧化氢溶液中，在温度5～40℃下吸附0.1～24小时，过滤，得到纯化的过氧化氢溶液；吸附剂的用量占过氧化氢溶液重量的0.05～2.5％，优选0.2～1.5％；过氧化氢溶液的浓度为20～55％重量。
作为优选，吸附剂的用量占过氧化氢溶液重量的0.2～1.5％。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(一)选择具有一定孔隙结构和比表面的活性炭，所选定的活性炭对过氧化氢溶液中的有机物杂质具有优良的吸附脱除效果。先通过稀酸除去无机杂质，然后通过抽真空再浸渍的方法将所选有机组分均匀分布在活性炭的大部分的孔道上，特别是分布在较小的孔道里。既对活性炭孔道中残存的一些对过氧化氢分解起促进作用的金属元素如Fe、Cu、Mn、Ni等进行鳌合屏蔽，抑制其对过氧化氢的分解作用，也可对过氧化氢溶液中的多种金属离子杂质进行鳌合脱除，发挥双重功能。此外，还能充分利用活性炭发达的空隙结构及大的比表面积发挥吸附过氧化氢溶液中包括烷基蒽醌及其衍生物、磷酸酯、重芳烃、稳定剂等多种有机物的功能。通过常温下进行吸附操作，再过滤除去鳌合吸附剂，即可对过氧化氢溶液中的有机物杂质及多种金属离子进行有效的脱除。
(二)本发明与传统的蒸馏、吸附树脂吸附、离子交换树脂交换等工艺相比，操作简单、能耗低，和过去公开的专利提及的活性炭吸附工艺相比，除了也能较好地脱除有机物的同时又能在一定程度上抑制过氧化氢分解外，而且还具有可以同时鳌合吸附脱除过氧化氢溶液中的多种金属离子的特点。
(三)本发明的鳌合吸附剂及其应用适用于过氧化氢溶液，特别是有机杂质含量较大的工业级过氧化氢溶液的净化。
具体实施方式
本发明实施例中过氧化氢溶液的总有机碳含量(TOC)数据由OI Analytical 1020型TOC测定仪(美国)测定，金属元素含量则由Elan 6100型ICP-MS电感耦合等离子质谱仪(美国PE公司)检测。过氧化氢含量按照GB/T 6684-2002测定。所用去离子水(纯水)由Millipore-Q(美国)纯水制备仪制备。
实施例1
按下述步骤制备本发明的负载型鳌合吸附剂，并进行过氧化氢吸附纯化的操作。
(1)取具有本发明所要求的宏观结构的活性炭10g作为载体，用100ml浓度为10％的稀盐酸溶液浸泡2小时、滤去酸液、然后用1000ml的去离子水分5次反复洗涤，滤干，在120℃下烘干；
(2)称取8-羟基喹啉0.16g，环戊烷甲酸0.025g，2，2-二甲基丙酸(又称叔戊酸)0.015g一起溶于30ml无水乙醇中，制成浸渍液；
(3)将按步骤(1)预处理过的活性炭置于带搅拌的密闭容器内，抽真空3小时，真空度保持在9.5×104Pa或以上；
(4)在常温下，吸入浸渍液，并浸没容器内的活性炭。关闭真空，使密闭容器内压力回复常压，保持溶液液面仍能盖过活性炭，继续保持缓慢搅拌3小时。然后静置过夜；
(5)抽真空、真空度保持在9.5×104Pa或以上，逐渐升高温度至70℃，保持3小时，脱除溶剂乙醇；
(6)用1000ml去离子水分5次反复浸泡、洗涤，过滤，然后在70℃干燥24小时，获得负载型炭螯合吸附剂，其中有机组分占吸附剂约2％；
(7)取1.0g制得的负载型炭螯合吸附剂，在20℃下分散缓缓加入到100ml浓度为35.6％重量的工业过氧化氢溶液中，缓慢搅拌，吸附过程保持3小时。然后过滤，除去鳌合吸附剂，得到纯化了的过氧化氢溶液。
实施例2～5
仅改变实施例1中(2)步骤，保持实施例1中各添加化学组分的配比，称取不同的添加量，制成有机组分分别占吸附剂4％、6％、8％、10％重量的鳌合吸附剂。其余步骤按照实施例1进行。
比较例1
取1g具有本发明所要求的宏观结构的活性炭作为吸附剂，按照实施例1中第(7)步骤进行吸附、过滤操作，得到处理后的过氧化氢溶液作为比较样品。
对工业过氧化氢溶液处理后所得的结果见表1和表2。其中表1是对工业过氧化氢溶液中TOC的脱除及对过氧化氢浓度的影响；表2是对工业过氧化氢溶液中各金属离子的鳌合吸附情况。
表1的数据说明采用本发明的负载型炭螯合吸附剂对过氧化氢溶液中的总的有机物的吸附能力仍然能够保持在较高的吸附水平上。重要的是，表中数据表明本发明的负载型炭螯合吸附剂能够很好地抑制单纯活性炭吸附剂对过氧化氢的分解能力，实施例中过氧化氢的分解率从12.75％下降至最好的6.60％。这对过氧化氢这样的易分解化学品来说显得尤为重要。
表1
| 项目 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 比较例1 |
| H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>浓度/％ | 32.03 | 33.25 | 33.02 | 33.14 | 33.3 | 31.06 |
| H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>分解率/％ | 10.03 | 6.60 | 7.25 | 6.91 | 6.46 | 12.75 |
| TOC/ppm | 21.42 | 28.29 | 27.59 | 28.95 | 30.16 | - |
| 总有机物脱除率/％ | 84.86 | 80.00 | 80.50 | 79.54 | 78.68 | - |
注：①工业过氧化氢(H2O2)溶液原液的浓度为35.6％重量，TOC为141.49ppm。
表2数据说明了，在常温下使用本发明的负载型炭螯合吸附剂，可以同时对过氧化氢溶液中的Al、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Nb、Mo、Ag、Sb、W、Hg等具有较好的螯合吸附能力。从而对过氧化氢进行了纯化。
表2
Claims (7)
1、一种有机组分负载型炭鳌合吸附剂，以活性炭为载体，有机组分采用浸渍法负载到活性炭载体上，其特征在于有机组分分布在活性炭的孔道上，有机组分占吸附剂重量的0.05～10％；
所述有机组分为8-羟基喹啉(I)、环烷酸(II)和叔碳羧酸(III)，其中，8-羟基喹啉(I)占有机组分总量的60.0～99.0％重量，环烷酸(II)占有机组分总量的0～40.0％重量，叔碳羧酸(III)占有机组分总量的0～40.0％重量；环烷酸(II)和叔碳羧酸(III)不同时为0；其中，
8-羟基喹啉的化学结构式为：
所述环烷酸的化学结构式为：
其中R＝H，CH3；n＝0，1，2；
所述叔碳羧酸的化学结构式为：
其中R1，R2＝CnH2n+1；n＝1，2，3；
所述活性炭的BET法比表面积在600～1300m/2g，孔径分布在0.5～100nm。
2、根据权利要求书1所述的吸附剂，其特征在于所述有机组分占吸附剂重量的1.0～8.0％。
3、按照权利要求1所述的吸附剂，其特征在于所述活性炭的BET法比表面积在900～1100m/2g，孔径分布在1～30nm，且孔径分布的主要峰值分布在1.2～1.5nm处。
4、权利要求1～3之一所述的吸附剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将有机组分溶于有机溶剂中，得到浸渍液；所述有机溶剂为乙醇、丙酮、四氢呋喃中的一种或几种；
(2)经抽真空处理的活性炭浸没在浸渍液中，缓慢搅拌，浸渍时间为0.1～72小时；溶剂与活性炭的质量比为2.0～3.5∶1；
(3)在50～80℃下，真空度在9.5×104Pa或以上，保持0.5～4小时脱除溶剂；
(4)用去离子水充分浸泡、洗涤；
(5)过滤、干燥，得到吸附剂。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于经抽真空处理的活性炭由下述方法制备得到：活性炭先用浓度为5～15％重量的稀酸溶液进行浸泡、滤干、然后用去离子水反复洗涤，烘干待用；所用稀酸为盐酸或硝酸；在真空度9.5×104Pa或以上，保持2～4小时。
6、权利要求1～3之一所述的吸附剂用于纯化过氧化氢溶液的方法，其特征在于将所述吸附剂加入过氧化氢溶液中，在温度5～40℃下吸附0.1～24小时，过滤，得到纯化的过氧化氢溶液；吸附剂的用量占过氧化氢溶液质量的0.05～2.5％，过氧化氢溶液的浓度为20～55％重量。
7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于吸附剂用量占过氧化氢溶液质量的0.2～1.5％。
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