CN106984269A - 自组装低温等离子体改性提高活性炭性能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种自组装低温等离子体改性提高活性炭性能的方法，属于活性炭改性技术领域。本发明利用的自组装低温等离子体改性反应装置主要包括箱体、等离子发生器、配气及尾气处理系统、辅助设施等组成，以活性炭改性为目的，经活性炭分筛处理、反应器检测及设定、活性炭改性、尾气处理四个过程实现活性炭改性。本发明能有效降低活性炭损耗，缩短改性时间，提高活性炭改性效率；并以空气为气源，廉价易得，操作简单，无臭氧逸散，无废液处理，方法绿色环保。本发明可广泛应用于活性炭改性，也可以推广应用到高领土、蒙脱石等吸附剂的改性。
Description
技术领域
本发明属于活性炭改性技术领域，具体涉及自组装低温等离子体改性提高活性炭性能的方法及其反应器。
背景技术
活性炭的比表面极大及其表面官能团丰富，具有较强的吸附去除有机污染物及金属离子能力，在环保领域的废水和废气治理中发挥积极且巨大的作用。但活性炭吸附饱和后丧失吸附活性，使用一段时间后需更换；加之活性炭表面结构及其官能团的局限性，存在活性炭边缘原子数目少、活性炭接触角大、表面能低，甚至呈现憎液性等不足，导致基体与活性炭的粘结强度差，从而影响活性炭的吸附性能。提高活性炭吸附性能成为研究者及企业生产及污染防治急需考虑的现实问题之一。故，开展活性炭改性研究，即活性炭比表面积一定时，如何改变活性炭表面结构，丰富其表面官能团、提高活性炭吸附性能，是减轻企业生产负担、降低企业环境污染治理成本的有效途径之一，具有经济价值及现实意义。
现有活性炭改性方法与装置，如2017年2月22日公布的公布号为CN 106423063A一种改性活性炭、改性方法及其用途。该发明通过硫酸铜改性活性炭，用于去除气态污染物硫化氢，但面临以下缺陷：（1）该发明将硫酸铜负载到活性炭表面，可能会堵塞活性炭表面孔径，且采用该方法改性活性炭，改性剂硫酸铜与活性炭接触不紧密，容易脱落，失去效果；（2）该发明改性的活性炭主要针对吸附硫化氢，对其他污染物的吸附效果不清楚；（3）该发明为湿法改性，需要对废液进行处理，不符合清洁生产的发展趋势。又如2015年4月29日公布号为CN 104549153A公布的一种转动低温等离子体改性活性炭吸附剂的装置与方法。该发明采用电晕放电等离子改性活性炭，存在不足有：（1）该发明采用单一的电晕放电方式，高能活性物质产生少，活性炭改性处理时间为5~15min，因放电方式单一性延长放电时间，进而增加活性炭改性能耗；（2）该发明因采用电晕放电方式，或多或少存有放电不均匀等不足，影响活性炭表面化学键断裂及重建，使活性炭表面特性不均衡，从而影响改性活性炭活性的稳定性；（3）该装置结构复杂，使用该装置改性活性炭最佳电压为15~25 kV，时间为10~15 min，工作电压高，改性时间长，能耗高，运转费用较高，增加生产成本。
发明内容
本发明的目的是：针对现在活性炭改性技术的不足，提供一种自组装低温等离子体改性提高活性炭性能的方法及其装置，具有活性炭损耗低、结构保持完整、装置简单且改性时间短、表面含氧基团明显增多等特点。
本实验的机理是：活性炭的表面改性是通过断开或激活表面的旧化学键且形成新化学键得以实现，低温等离子体技术通过在高压电场中，产生大量高能电子使得水分子、氧气分子和有机物分子充分发生电离和激发，生成O3、·O、·OH和H2O2等活性粒子，这些活性粒子具有的足够能量来断开活性炭表面的旧化学键形成新键，赋予活性炭新的表面特性，实现活性炭的改性。
实现本发明专利目的的技术方案是：一种自组装低温等离子体改性提高活性炭性能的反应器，主要包括箱体、等离子发生器、配气及尾气处理系统、辅助设施等组成。所述箱体为长方形。所述等离子体发生器主要由阴极架、阳极架、高压绝缘子组成；所述阴极架由4组小石英管套不锈钢丝负极矩形排列；所述阳极架由不锈钢棒沿轴向套八角星呈锯齿状正极；所述高压绝缘子采用聚四氟乙烯材料，主要起固定阴极架和阳极架和绝缘高压作用。所述配气及尾气处理系统为背景气源、流量计、气体缓冲装置、尾气检测装置；所述尾气回收装置设有采样瓶及换向阀、流量计、尾气吸收瓶；所述尾气吸收瓶可多个串联。所述辅助设施为电源、装料槽；所述装料槽为100目不锈钢丝网。
一种自组装低温等离子体改性提高活性炭性能的方法，以活性炭为改性原料，经活性炭分筛处理、反应器检测及设定、活性炭改性、尾气处理四个过程实现活性炭改性。所述方法具体操作步骤如下：
（1）活性炭分筛处理
第（1）步骤，将活性炭分筛，分装备用。
（2）反应器检测及设定
完成第（1）步骤后，先打开钢瓶减压阀0.2～1.4 MPa，通过转子流量计通入流速为0.7～3.0 L/min的背景气体，待尾气回收装置有稳定连续气泡出现，表明等反应器通气顺畅。打开电源，调节电压为6.0～10.0 KV，通电10～30 s后，臭氧分析仪器检测反应器中O3生成后，表明反应器中有高能粒子产生。设置电压范围值为6.0~10.0 kV后，关闭电源。所述背景气体为空气、N2、O2等。
（3）活性炭改性
完成第（2）步骤后，先完成第（1）步骤后的20~80目活性炭0.2~1.0 g装入装料槽中后；再打开电源，调节电源输入电压6.0~10.0 kV，然后改性放电处理活性炭30~420 s后，关闭电源。最后取出活性炭，即得改性活性炭。箱体中O3浓度为80~416 ppm后。
（4）尾气处理
完成第（3）步骤后，静置反应器0~5 min后，调节空压机压力0.4 Mpa并调节质量流量计控制气流流速为5 L/min，通入洁净空气吹洗反应器内部单元，将气体导入装有过饱和IK溶液的尾气吸收瓶中，检测臭氧浓度达标后，关闭气阀。
本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：
（1）本发明自制的反应器采用电晕-介质阻挡协同放电技术改性活性炭，放电0.5~5min后，反应器中臭氧生成量可达80~416 ppm，为活性炭表面化学键断裂提供足够数量和能量的活性粒子，有效缩短改性时间，提高活性炭改性效率。
（2）本发明采用电晕-介质阻挡协同放电技术，最佳活性炭工作电压为8.2kV，增大活性离子产生量的同时，有效降低放电电压，能有效降低电能耗，降低生产成本。
（3）本发明改性处理活性炭损耗低，其损耗率为5.76~9.57%；活性炭改性后活性炭表面羟基和羧基吸收峰明显增强，表面化学特性均衡，且改性活性炭对亚甲基蓝的吸附率为65.48～89.28%，比未改性活性炭吸附率提升2.55～19.44%，其吸附性能增加明显。
（4）本发明以空气为气源，廉价易得，操作简单，无臭氧逸散，无废液处理，实现活性炭清洁改性，方法绿色环保。
附图说明
图1 自组装低温等离子体改性活性炭反应器结构示意图。其中，1-箱体，2-等离子发生器，3-装料槽，4-阴极架，5-阳极架，6-高压绝缘子，7-小石英管，8-不锈钢丝，9-不锈钢棒，10-八角星。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例1
如附图1所示，一种自组装低温等离子体改性提高活性炭性能的反应器，主要包括箱体1、等离子发生器2、配气及尾气处理系统、辅助设施等组成。所述箱体1为长方形。所述等离子体发生器2主要由阴极架4、阳极架5、高压绝缘子6组成；所述阴极架4由4组小石英管7套不锈钢丝8负极矩形排列；所述阳极架5由不锈钢棒9沿轴向套八角星10呈锯齿状正极；所述高压绝缘子6采用聚四氟乙烯材料，主要起固定阴极架和阳极架，并起到绝缘高压作用。所述配气及尾气处理系统为背景气源、流量计、气体缓冲装置、尾气检测装置；所述尾气回收装置设有采样瓶及换向阀、流量计、尾气吸收瓶，所述尾气吸收瓶可多个串联。所述辅助设施为电源、装料槽3；所述装料槽为100目不锈钢丝网。
一种自组装低温等离子体改性提高活性炭性能的方法，以活性炭为改性原料，经活性炭分筛处理、反应器检测及设定、活性炭改性、尾气处理四个过程实现活性炭改性。所述方法具体操作步骤如下：
（1）活性炭分筛处理
第（1）步骤，将活性炭分筛，分装备用。
（2）反应器检测及设定
完成第（1）步骤后，先打开钢瓶减压阀0.4 MPa，通过转子流量计通入流速为2.0 L/min的背景气体，待尾气回收装置有稳定连续气泡出现，表明反应器通气顺畅。打开电源，调节电压为8.2 kV，通电30 s后，臭氧分析仪器检测反应器中O3生成后，表明反应器中有高能粒子产生。设置电压范围值为8.2 kV后，关闭电源。所述背景气体为空气。
（3） 活性炭改性
完成第（2）步骤后，先完成第（1）步骤后的20~40目活性炭0.67 g装入装料槽中后；再打开电源，调节电源输入电压8.2 kV，然后改性放电处理活性炭125 s后，关闭电源。最后取出活性炭，即得改性活性炭。箱体中O3浓度为416 ppm后。
（4） 尾气处理
完成第（3）步骤后，静置反应器5 min后，调节空压机压力0.4 Mpa并调节质量流量计控制气流流速为5 L/min，通入洁净空气吹洗反应器内部单元，将气体导入装有过饱和IK溶液的尾气吸收瓶中，检测臭氧浓度达标后，关闭气阀。改性活性炭活性炭的损耗率为6.2%，对亚甲基蓝的吸附率为85.17%，相比于未改性的活性炭，吸附率提升19.44%。
实施例2
一种自组装低温等离子体改性提高活性炭性能的方法，同实施例1，其中：
（1）活性炭分筛处理
第（1）步骤，将活性炭分筛，分装备用。
（2）反应器检测及设定
完成第（1）步骤后，先打开钢瓶减压阀0.4 MPa，通过转子流量计通入流速为2.0 L/min的背景气体，待尾气回收装置有稳定连续气泡出现，表明反应器通气顺畅。打开电源，调节电压为9.0 kV，通电30 s后，臭氧分析仪器检测反应器中O3生成后，表明反应器中有高能粒子产生。设置电压范围值为9.0 kV后，关闭电源。所述背景气体为空气。
（3）活性炭改性
完成第（2）步骤后，先完成第（1）步骤后的40~60目活性炭0.5 g装入装料槽中后；再打开电源，调节电源输入电压9.0 kV，然后改性放电处理活性炭120 s后，关闭电源。最后取出活性炭，即得改性活性炭。箱体中O3浓度为334 ppm后。
（4）尾气处理
完成第（3）步骤后，静置反应器5 min后，调节空压机压力0.4 Mpa并调节质量流量计控制气流流速为5 L/min，通入洁净空气吹洗反应器内部单元，将气体导入装有过饱和IK溶液的尾气吸收瓶中，检测臭氧浓度达标后，关闭气阀。改性活性炭的损耗率为8.88%，对亚甲基蓝的吸附率为77.66%，相比于未改性的活性炭，吸附率提升17.60%。
实施例3
一种自组装低温等离子体改性提高活性炭性能的方法，同实施例1，其中：
（1）活性炭分筛处理
第（1）步骤，将活性炭分筛，分装备用。
（2）反应器检测及设定
完成第（1）步骤后，先打开钢瓶减压阀0.4 MPa，通过转子流量计通入流速为2.0 L/min的背景气体，待尾气回收装置有稳定连续气泡出现，表明反应器通气顺畅。打开电源，调节电压为10.0 kV，通电30 s后，臭氧分析仪器检测反应器中O3生成后，表明反应器中有高能粒子产生。设置电压范围值为10.0 kV后，关闭电源。所述背景气体为空气。
（3） 活性炭改性
完成第（2）步骤后，先完成第（1）步骤后的40~60目活性炭0.5 g装入装料槽中后；再打开电源，调节电源输入电压10.0 kV，然后改性放电处理活性炭120 s后，关闭电源。最后取出活性炭，即得改性活性炭。箱体中O3浓度为234 ppm后。
（4）尾气处理
完成第（3）步骤后，静置反应器5 min后，调节空压机压力0.4 Mpa并调节质量流量计控制气流流速为5 L/min，通入洁净空气吹洗反应器内部单元，将气体导入装有过饱和IK溶液的尾气吸收瓶中，检测臭氧浓度达标后，关闭气阀。改性活性炭的损耗率为6.13%，对亚甲基蓝的吸附率为89.28%，相比于未改性的活性炭，吸附率提升10.27%。
实验结果
1、实施例改性活性炭对亚甲基蓝的吸附实验：
表1 实施例改性活性炭效果
| 名称 | 损耗率/% | 吸附率/% | 吸附提升率/% |
| 实施例1 | 6.20 | 85.17 | 19.44 |
| 实施例2 | 8.88 | 77.66 | 17.60 |
| 实施例3 | 6.13 | 89.28 | 10.27 |
2、不同时间的改性活性炭对亚甲基蓝吸附实验
表2 不同时间对改性活性炭效果的影响
| 时间/s | 0 | 30 | 60 | 120 | 300 |
| 吸附率/% | 80.09 | 82.22 | 84.39 | 89.28 | 79.28 |
| 吸附提升率/% | / | 1.54 | 4.24 | 10.27 | -2.07 |
3、不同工作电压的改性活性炭对亚甲基蓝吸附实验
表3 不同工作电压对改性活性炭效果的影响
| 电压/kV | 0 | 6 | 8 | 9 | 10 |
| 吸附率/% | 64.47 | 67.24 | 69.29 | 77.66 | 68.09 |
| 吸附提升率/% | / | 2.69 | 5.54 | 17.60 | 3.67 |
从上述实验可知，自制反应器改性活性炭，工作电压为8.2kV，放电0.5~5min后，反应器中臭氧生成量可达80~416 ppm，为活性炭表面化学键断裂提供足够数量和能量的活性粒子，缩短活性炭改性时间，电能耗小；且活性炭损耗低，其损耗率仅为5.76~9.57%；改性后活性炭表面化学特性均衡，表面含氧官能团吸收峰明显增强，对亚甲基蓝的吸附率为65.48～89.28%，相比未改性活性炭，吸附率提升2.55～19.44%，改性效率增加明显。
Claims (3)
1.一种自组装低温等离子体改性提高活性炭性能的方法，其特征在于所述方法具体操作步骤如下：
（1）活性炭分筛处理
第（1）步骤，将活性炭分筛，分装备用；
（2）反应器检测及设定
完成第（1）步骤后，先打开钢瓶减压阀0.4 MPa，通过转子流量计通入流速为2.0 L/min的背景气体，待尾气回收装置有稳定连续气泡出现，表明反应器通气顺畅；打开电源，调节电压为8.2 kV，通电30 s后，臭氧分析仪器检测反应器中O3生成后，表明反应器中有高能粒子产生；设置电压范围值为8.2 kV后，关闭电源，所述背景气体为空气；
（3）活性炭改性
完成第（2）步骤后，先完成第（1）步骤后的20~40目活性炭0.67 g装入装料槽中后；再打开电源，调节电源输入电压8.2 kV，然后改性放电处理活性炭125 s后，关闭电源；最后取出活性炭，即得改性活性炭；箱体中O3浓度为416 ppm后；
（4）尾气处理
完成第（3）步骤后，静置反应器5 min后，调节空压机压力0.4 Mpa并调节质量流量计控制气流流速为5 L/min，通入洁净空气吹洗反应器内部单元，将气体导入装有过饱和IK溶液的尾气吸收瓶中，检测臭氧浓度达标后，关闭气阀；改性活性炭活性炭的损耗率为6.2%，对亚甲基蓝的吸附率为85.17%，相比于未改性的活性炭，吸附率提升19.44%。
2.根据权利要求1所述的一种自组装低温等离子体改性提高活性炭性能的方法，其特征在于所述方法具体操作步骤如下：
第（2）步骤中，调节电压为9.0 kV，设置电压范围值为9.0 kV；
第（3）步骤中，先完成第（1）步骤后的40~60目活性炭0.5 g装入装料传送带中，调节电源输入电压9.0 kV，改性放电处理活性炭120 s，箱体中O3浓度为334 ppm；
第（4）步骤中，改性活性炭的损耗率为8.88%，对亚甲基蓝的吸附率为77.66%，相比于未改性的活性炭，吸附率提升17.60%。
3.根据权利要求1所述的一种自组装低温等离子体改性提高活性炭性能的方法，其特征在于所述方法具体操作步骤如下：
第（2）步骤中，调节电压为10.0 kV，设置电压范围值为10.0 kV；
第（3）步骤中，先完成第（1）步骤后的40~60目活性炭0.5 g装入装料传送带中，调节电源输入电压10.0 kV，改性放电处理活性炭120 s，箱体中O3浓度为234 ppm后；
第（4）步骤中，改性活性炭的损耗率为6.13%，对亚甲基蓝的吸附率为89.28%，相比于未改性的活性炭，吸附率提升10.27%。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170728 |