CN110841593A - 应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭的制备方法及其产品和应用 - Google Patents

应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭的制备方法及其产品和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭的制备方法及其产品和应用，通过原位改性和后处理结合促进活性炭对于典型空气污染物的广谱和高容量吸附的制备方法。主要以纤维素为主要原料，通过在纤维素碳化之前引入过渡金属铈、钴和/或锰，原位调控活性炭的物相结构，进一步对获得的过渡金属调控活性炭采用气体热处理活化，最终实现高容量活性炭的制备。所制备的高容量活性炭在针对典型空气污染物包括甲醛、丙烷、苯的净化过程中，均表现出较高的吸附容量，兼具广谱性和高容量的特点，具有非常大的应用潜力。

Description

应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭的制备方法及其产 品和应用
技术领域
本发明属于催化环保技术领域，具体涉及一种应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭的制备方法及其产品和应用。
背景技术
随着室内装修越来越普及，人们在追寻舒适和方便的过程中，也产生了潜在的空气污染。这些代表性污染物主要包括甲醛、苯系物等。生活水平的提高也促使人们环保和健康意识的提高，加之环保法规的日益严格，带来的经济效益和挑战使得污染物的去除成为日前的研究热点和难点。发展的最有效和最普遍的治理手段主要是吸附技术，因为吸附法可实现对所有污染物的广谱性吸附。然而，普通活性炭的使用寿命较短，在短时间内即达到饱和吸附，这不仅影响了治理效果，而且还带来了繁琐的后处理程序，影响了其高效利用。高容量活性炭可有效促进活性炭的利用效率，减少更换次数，可应用在各种场景中，是最有潜力的一类吸附材料。
现在的研究关键在于如何通过合适的改性或者源头处理程序实现活性炭对于各类污染物的高容量吸附。现有的促进技术主要包括：酸碱改性（通过对原活性炭在稀释的酸溶液或碱溶液中进行浸泡处理，通过在表面引入或衍生更多羟基官能团实现改性目的）、盐溶液改性（常用的主要有氯化锌改性，原理类同酸碱改性）、热处理（在不同气氛中对原活性炭活化处理）等。不难看出，现有工艺多为后处理活化工艺，仅仅是通过增加一些官能团促进吸附，但这很难从根本上提高活性炭的吸附容量。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明目的在于提供一种应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭的制备方法。
本发明的再一目的在于：提供一种上述方法制备的应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭产品。
本发明的又一目的在于：提供一种上述产品的应用。
本发明目的通过下述方案实现：一种应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭的制备方法，其特征在于通过原位改性和后处理结合促进活性炭对于典型空气污染物的广谱和高容量吸附的制备方法，主要以纤维素为主要原料，通过在纤维素碳化之前引入过渡金属铈、钴、锰，原位调控活性炭的物相结构，进一步对获得的过渡金属调控活性炭采用气体热处理活化，最终实现高容量活性炭的制备，包括以下步骤：
（1）按照金属的摩尔浓度为0.0005~0.001mol/L配置一定量的硝酸铈、硝酸钴或硝酸锰盐溶液；
（2）按照金属在纤维素中的质量分数为0.1%称取适量的纤维素，分散于上述盐溶液中，室温下连续搅拌24 h-48 h后抽滤；
（3）将滤饼置于80-100℃烘箱中烘干；
（4）将步骤（3）中所得样品置于管式炉中进行热处理。
热处理程序为：首先在5%H2/Ar气氛中，以1℃/min的速率升温至300℃，并保持4 h后冷却至室温；再切换为空气气氛，以1℃/min的速率升温至200℃，并保持2h后冷却至室温；最后，切换为氮气气氛，以1 oC/min的速率升温至800 oC，并保持4 h，其中，5%H2/Ar、空气和氮气的流量分别为100 mL/min、50 mL/min和80 mL/min。
本发明提供一种应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭，根据上述所述方法制备得到。
本发明提供一种活性炭应用于挥发性有机物的高容量吸附的应用。
针对各类VOCs的净化测试主要在常温、常压下进行。将0.4 g催化剂装填在内径为9 mm的U型玻璃管中，设计模拟污染物-苯、丙烷和甲醛的浓度分别为1000 ppm, 1000 ppm和 4~6 ppm, 对应气体总流量分别为50 mL/min、50 mL/min和500 mL/min。在固定床反应器中连续反应一段时间，分别通过气相色谱和总碳氢检测仪测定反应效果。在测试之前，所有样品在100℃烘箱中烘干，以去除吸附水分的影响。
本发明可实现对典型污染物-甲醛、丙烷和苯的高容量吸附，兼具广谱性和高容量的特点，具有极大应用潜力。所制备的高容量活性炭在针对典型空气污染物包括甲醛、丙烷、苯的净化过程中，均表现出较高的吸附容量，兼具广谱性和高容量的特点。
附图说明
图1是实施例1-4对于污染物苯的穿透曲线。
具体实施方式：
实施例1
一种应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭，通过原位改性和后处理结合促进活性炭对于典型空气污染物的广谱和高容量吸附，主要以纤维素为主要原料，通过在纤维素碳化之前引入过渡金属铈、钴、锰，原位调控活性炭的物相结构，进一步对获得的过渡金属调控活性炭采用气体热处理活化，最终实现高容量活性炭，按以下步骤制备：
（1）称取0.0310 g六水硝酸铈溶解于143 mL去离子水中，搅拌溶解得铈盐溶液；
（2）按照10 g纤维素分散于上述铈盐溶液中，搅拌24 h后抽滤，得滤饼；
（3）将滤饼置于100 ℃烘箱中烘干，得样品；
（4）将（3）中所得样品置于管式炉中进行碳化热处理，热处理程序为：首先在5%H2/Ar气氛中，以1 ℃/min的速率升温至300 ℃，并保持4 h后冷却至室温；再切换为空气气氛，以1℃/min的速率升温至200 ℃，并保持2h后冷却至室温；最后，切换为氮气气氛，以1 ℃/min的速率升温至800 ℃，并保持4 h；其中，5%H2/Ar、空气和氮气的流量分别为100 mL/min，50mL/min和80 mL/min，最终得到应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭，记为Ce-AC-1。
实施例2
一种应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭，与实施例1近似，按以下步骤制备：
（1）称取0.0494 g六水硝酸钴溶解于170 mL去离子水中，搅拌溶解得钴盐溶液；
（2）按照10 g纤维素分散于上述溶液中，室温下连续搅拌24 h后抽滤，得滤饼；
（3）将滤饼置于100 ℃烘箱中烘干，得样品；
（4）将（3）中所得样品置于管式炉中进行碳化热处理，热处理程序为：首先在5%H2/Ar气氛中，以1 ℃/min的速率升温至300 ℃，并保持4 h后冷却至室温；再切换为空气气氛，以1℃/min的速率升温至200℃，并保持2h后冷却至室温，最后切换为氮气气氛，以1℃/min的速率升温至800℃，并保持4h；其中，5%H2/Ar、空气和氮气的流量分别为100 mL/min，50 mL/min和80 mL/min，最终得到应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭，记为Co-AC-1。
实施例3
一种应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭，与实施例1近似，按以下步骤制备：
（1）称取0.0652 g 50%硝酸锰水溶液于182 mL去离子水中，搅拌溶解，得锰盐溶液；
（2）按照10 g纤维素分散于上述溶液中，室温下连续搅拌24 h后抽滤，得滤饼；
（3）将滤饼置于100 ℃烘箱中烘干，得样品；
（4）将（3）中所得样品置于管式炉中进行碳化热处理。热处理程序为：首先在5%H2/Ar气氛中，以1 ℃/min的速率升温至300 ℃，并保持4 h后冷却至室温；再切换为空气气氛，以1℃/min的速率升温至200 ℃，并保持2h后冷却至室温；最后，切换为氮气气氛，以1 ℃/min的速率升温至800 ℃，并保持4 h；其中，5%H2/Ar、空气和氮气的流量分别为100 mL/min，50mL/min和80 mL/min。
最终得到应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭，记为Mn-AC-1。
实施例4
一种应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭，与实施例1近似，按以下步骤制备：
（1）称取0.0494 g六水硝酸钴溶解于340 mL去离子水中，搅拌溶解，得钴盐溶液；
（2）按照10 g纤维素分散于上述溶液中，搅拌24 h后抽滤，得滤饼；
（3）将滤饼置于100 ℃烘箱中烘干，得样品；
（4）将（3）中所得样品置于管式炉中进行碳化热处理，热处理程序为：首先在5%H2/Ar气氛中，以1 ℃/min的速率升温至300 ℃，并保持4 h后冷却至室温；再切换为空气气氛，以1℃/min的速率升温至200 ℃，并保持2h后冷却至室温；最后，切换为氮气气氛，以1℃/min的速率升温至800℃，并保持4 h；其中，5%H2/Ar、空气和氮气的流量分别为100 mL/min，50mL/min和80 mL/min。
最终得到应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭，记为Co-AC-2。
实施例5
一种应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭，与实施例1近似，按以下步骤制备：
（1）称取0.0652 g 50%硝酸锰水溶液于364 mL去离子水中，搅拌溶解，得锰盐溶液；
（2）按照10 g纤维素分散于上述溶液中，搅拌24 h后抽滤，得滤饼；
（3）将滤饼置于100 ℃烘箱中烘干，得样品；
（4）将（3）中所得样品置于管式炉中进行碳化热处理。热处理程序为：首先在5%H2/Ar气氛中，以1 ℃/min的速率升温至300 ℃，并保持4 h后冷却至室温；再切换为空气气氛，以1℃/min的速率升温至200 ℃，并保持2h后冷却至室温；最后，切换为氮气气氛，以1 ℃/min的速率升温至800 ℃，并保持4 h；其中，5%H2/Ar、空气和氮气的流量分别为100 mL/min，50mL/min和80 mL/min。
最终得到应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭，记为Mn-AC-2。
吸附性能测试：
针对各类VOCs的净化测试主要在常温、常压下进行。将0.4 g催化剂装填在内径为9 mm的U型玻璃管中，设计模拟污染物-苯、丙烷和甲醛的浓度分别为1000ppm、1000ppm和4~6ppm，对应气体总流量分别为50 mL/min、50 mL/min和500 mL/min。在固定床反应器中连续反应一段时间，分别通过气相色谱和总碳氢检测仪测定反应效果。在测试之前，所有样品在100℃烘箱中烘干，以去除吸附水分的影响。
Qs : VOCs的饱和吸附容量。
图1是实施例1-4对于污染物苯的穿透曲线，吸附效果优异。

Claims (9)

1.一种应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭的制备方法，其特征在于通过原位改性和后处理结合促进活性炭对于典型空气污染物的广谱和高容量吸附，主要以纤维素为主要原料，通过在纤维素碳化之前引入过渡金属铈、钴、锰，原位调控活性炭的物相结构，进一步对获得的过渡金属调控活性炭采用气体热处理活化，最终实现高容量活性炭的制备，包括以下步骤：
（1）按照过渡金属的摩尔浓度为0.0005~0.001mol/L配置硝酸铈、硝酸钴或硝酸锰盐溶液；
（2）按照过渡金属在纤维素中的质量分数为0.1%称取纤维素，分散于上述盐溶液中，室温下连续搅拌24 h-48 h后抽滤，得滤饼；
（3）将滤饼置于80-100℃烘箱中烘干，得样品；
（4）将步骤（3）中所得样品置于管式炉中进行热处理，得应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭。
2.根据权利要求1所述应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭的制备方法，其特征在于，热处理程序为：首先在5%H2/Ar气氛中，以1℃/min的速率升温至300℃，并保持4 h后冷却至室温；再切换为空气气氛，以1℃/min的速率升温至200℃，并保持2h后冷却至室温；最后，切换为氮气气氛，以1℃/min的速率升温至800℃，并保持4 h，其中，5%H2/Ar、空气和氮气的流量分别为100 mL/min，50 mL/min和80 mL/min。
3.根据权利要求1或2所述应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭的制备方法，其特征在于，按以下步骤制备：
（1）称取0.0310 g六水硝酸铈溶解于143 mL去离子水中，搅拌溶解得铈盐溶液；
（2）按照10 g纤维素分散于上述铈盐溶液中，搅拌24 h后抽滤，得滤饼；
（3）将滤饼置于100 ℃烘箱中烘干，得样品；
（4）将（3）中所得样品置于管式炉中进行碳化热处理，热处理程序为：首先在5%H2/Ar气氛中，以1 ℃/min的速率升温至300 ℃，并保持4 h后冷却至室温；再切换为空气气氛，以1℃/min的速率升温至200 ℃，并保持2h后冷却至室温；最后，切换为氮气气氛，以1 ℃/min的速率升温至800 ℃，并保持4 h；其中，5%H2/Ar、空气和氮气的流量分别为100 mL/min，50mL/min和80 mL/min，最终得到应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭，记为Ce-AC-1。
4.根据权利要求1或2所述应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭的制备方法，其特征在于，按以下步骤制备：
（1）称取0.0494 g六水硝酸钴溶解于170 mL去离子水中，搅拌溶解得钴盐溶液；
（2）按照10 g纤维素分散于上述溶液中，室温下连续搅拌24 h后抽滤，得滤饼；
（3）将滤饼置于100 ℃烘箱中烘干，得样品；
（4）将（3）中所得样品置于管式炉中进行碳化热处理，热处理程序为：首先在5%H2/Ar气氛中，以1 ℃/min的速率升温至300 ℃，并保持4 h后冷却至室温；再切换为空气气氛，以1℃/min的速率升温至200℃，并保持2h后冷却至室温，最后切换为氮气气氛，以1℃/min的速率升温至800℃，并保持4h；其中，5%H2/Ar、空气和氮气的流量分别为100 mL/min，50 mL/min和80 mL/min，最终得到应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭，记为Co-AC-1。
5.根据权利要求1或2所述应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭的制备方法，其特征在于，按以下步骤制备：
（1）称取0.0652 g 50%硝酸锰水溶液于182 mL去离子水中，搅拌溶解，得锰盐溶液；
（2）按照10 g纤维素分散于上述溶液中，室温下连续搅拌24 h后抽滤，得滤饼；
（3）将滤饼置于100 ℃烘箱中烘干，得样品；
（4）将（3）中所得样品置于管式炉中进行碳化热处理。热处理程序为：首先在5%H2/Ar气氛中，以1 ℃/min的速率升温至300 ℃，并保持4 h后冷却至室温；再切换为空气气氛，以1℃/min的速率升温至200 ℃，并保持2h后冷却至室温；最后，切换为氮气气氛，以1 ℃/min的速率升温至800 ℃，并保持4 h；其中，5%H2/Ar、空气和氮气的流量分别为100 mL/min，50mL/min和80 mL/min。
最终得到应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭，记为Mn-AC-1。
6.根据权利要求1或2所述应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭的制备方法，其特征在于，按以下步骤制备：
（1）称取0.0494 g六水硝酸钴溶解于340 mL去离子水中，搅拌溶解，得钴盐溶液；
（2）按照10 g纤维素分散于上述溶液中，搅拌24 h后抽滤，得滤饼；
（3）将滤饼置于100 ℃烘箱中烘干，得样品；
（4）将（3）中所得样品置于管式炉中进行碳化热处理，热处理程序为：首先在5%H2/Ar气氛中，以1 ℃/min的速率升温至300 ℃，并保持4 h后冷却至室温；再切换为空气气氛，以1℃/min的速率升温至200 ℃，并保持2h后冷却至室温；最后，切换为氮气气氛，以1℃/min的速率升温至800℃，并保持4 h；其中，5%H2/Ar、空气和氮气的流量分别为100 mL/min，50mL/min和80 mL/min。
最终得到应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭，记为Co-AC-2。
7.根据权利要求1或2所述应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭的制备方法，其特征在于，按以下步骤制备：
（1）称取0.0652 g 50%硝酸锰水溶液于364 mL去离子水中，搅拌溶解，得锰盐溶液；
（2）按照10 g纤维素分散于上述溶液中，搅拌24 h后抽滤，得滤饼；
（3）将滤饼置于100 ℃烘箱中烘干，得样品；
（4）将（3）中所得样品置于管式炉中进行碳化热处理。热处理程序为：首先在5%H2/Ar气氛中，以1 ℃/min的速率升温至300 ℃，并保持4 h后冷却至室温；再切换为空气气氛，以1℃/min的速率升温至200 ℃，并保持2h后冷却至室温；最后，切换为氮气气氛，以1 ℃/min的速率升温至800 ℃，并保持4 h；其中，5%H2/Ar、空气和氮气的流量分别为100 mL/min，50mL/min和80 mL/min。
最终得到应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭，记为Mn-AC-2。
8.一种应用于挥发性有机物的高容量吸附活性炭，其特征在于根据权利要求1至7任一项所述方法制备得到。
9.一种根据权利要求8所述活性炭应用于挥发性有机物的高容量吸附的应用。
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