CN111841493A - 一种增加活性炭含氧官能团的提质装置 - Google Patents

一种增加活性炭含氧官能团的提质装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增加活性炭含氧官能团的提质装置，包括等离子体反应系统，等离子体反应系统包括绝缘箱体和设置在绝缘箱体内的高压电极板和接地电极板，高压电极板和接地电极板相互平行布置，高压电极板和接地电极板分别与高压电源和大地相接，绝缘箱体上设置有进料口和出料口，进料口与进料机连接，出料口与旋风分离器相连，旋风分离器出料端连接有活性炭收集箱。该装置利用等离子体与活性炭表面碰撞，增加活性炭表面含氧官能团，显著提升活性炭吸附能力，苯酚吸附量高达146.6mg/g，和未处理的活性炭相比提升23.7％，装置结构简单紧凑，操作方便，单位体积内等离子体处理面积大，能够连续化运行，工作效率高，同时不产生污染物质，节能环保。

Description

一种增加活性炭含氧官能团的提质装置
技术领域
本发明涉及一种提质装置，更具体地，涉及一种增加活性炭含氧官能团的提质装置。
背景技术
活性炭具有巨大的比表面和丰富的孔道结构，是一种优良的吸附剂，一般通过物理或者化学活化的方法制备，工艺复杂，价格昂贵。碘值是评价活性炭吸附能力的重要参数，高碘值的活性炭吸附性能更好，活性炭表面的活性吸附位点直接影响吸附能力，对活性炭进行改性能有效增加活性炭表面的吸附位点。传统改性方法一般利用包括酸碱改性、化学试剂浸渍、氧化剂表面氧化等方法，能够提升活性炭表面官能团的数量，但这一过程往往需要消耗大量能量，改性所产生的废水废气还会对环境造成污染。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够提高活性炭表面含氧官能团、提高其吸附性能、清洁环保的增加活性炭含氧官能团的提质装置。
技术方案：本发明所述一种增加活性炭含氧官能团的提质装置，包括等离子体反应系统，等离子体反应系统包括绝缘箱体和设置在绝缘箱体内的高压电极板和接地电极板，高压电极板和接地电极板相互平行布置，高压电极板和接地电极板分别与高压电源和大地相接，绝缘箱体上设置有进料口和出料口，进料口与进料机连接，出料口与旋风分离器相连，旋风分离器出料端连接有活性炭收集箱。
其中，活性炭收集箱上还连接有返料箱，返料箱出口端连接在进料机上，使活性炭循环进入绝缘箱体内与等离子体充分作用，进料机设置有两个可切换的进料通道，一个进料通道与原料仓相连，另一个进料通道与返料箱相连，通过切换通道灵活选择活性炭循环模式或连续进料模式；装置还包括尾气再循环系统，尾气再循环系统包括混气罐，混气罐上设置有第一进气口、第二进气口和出气口，第一进气口通过第二风机与旋风分离器出气口相连，出气口通过第一风机与箱体的进料口相连，第一进气口和第二风机之间连接有过滤器，避免有残留活性炭进入混气罐，第二进气口与进气系统连接，第二进气口包括蒸气进口、反应气进口和载气进口，混气罐和蒸气进口段外均敷设保温材料，避免蒸气冷凝，反应气为氧气或空气，载气为氩气或氦气，气体中氧含量5-50％，水蒸气用量/活性炭质量比为1％-10％，气体流速为50ml/min-100/min，将旋风分离器分离出的含有氧气和臭氧的尾气通入混气罐，与反应气和蒸气混合，通入绝缘箱体内的等离子区域重新激发成等离子体再和活性炭继续进行反应，高压电极板、接地电极板为金属折流板，能够增加活性炭行程，提高等离子体与活性炭表面的有效碰撞，提升活性炭表面的氧沉积率；高压电极板通过高压接线柱与高压电源连接，接地电极板通过地线接线柱接地。
工作原理：氧等离子体中具有大量的高能电子、活性氧原子和氧分子、自由基、臭氧等，高能粒子能刻蚀活性炭表面，打开孔道，氧活性物质能快速在活性炭表面沉积、反应，生成更多的含氧官能团，从而提升吸附能力。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、利用等离子体与活性炭表面碰撞，增加活性炭表面含氧官能团，显著提升活性炭吸附能力，苯酚吸附量高达146.6mg/g，和未处理的活性炭相比提升23.7％；2、装置结构简单紧凑，操作方便，单位体积内等离子体处理面积大；3、装置连续化运行，工作效率高；4、不产生污染物质，节能环保。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是实施例3中活性炭的扫描电镜图；
图3是未处理的活性炭的扫描电镜图；
图4是实施例3中活性炭的XPS图谱；
图5是未处理的活性炭的XPS图谱。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，增加活性炭含氧官能团的提质装置，包括等离子体反应系统和尾气再循环系统，等离子体反应系统包括绝缘箱体1和设置在绝缘箱体1内的高压电极板2和接地电极板4，高压电极板2和接地电极板4相互平行布置，高压电极板2通过高压接线柱3与高压电源连接，接地电极板4通过地线接线柱5接地，绝缘箱体1上设置有进料口11和出料口12，进料口11与进料机15连接，出料口12与旋风分离器6相连，旋风分离器6出料端连接有活性炭收集箱7，活性炭收集箱7上还连接有返料箱16，返料箱16出口端连接在进料机15上，进料机15设置有两个可切换的进料通道，一个进料通道与原料仓13相连，另一个进料通道与返料箱16相连，尾气再循环系统包括混气罐9，混气罐9上设置有第一进气口17、第二进气口18和出气口19，第一进气口17通过第二风机14与旋风分离器6出气口相连，出气口19通过第一风机10与绝缘箱体1的进料口11相连，第一进气口17和第二风机14之间连接有过滤器8，第二进气口18与进气系统相连，第二进气口18包括蒸气进口、反应气进口和载气进口，基尼器系统供应蒸气、反应气和载气，混气罐9和蒸气进口段外均敷设保温材料，保温材料为石棉，绝缘箱体1为四氟乙烯，高压电极板2、接地电极板4为铜制折流板。
使用时，首先筛分活性·炭，取200目粒径大小去离子水将活性炭反复冲洗，去除杂质，105℃下烘干8h，开启水蒸气发生器产生蒸气，水和活性炭质量比为1:9，氧气和氦气按照2:8通入混气罐9，混合气体流量100ml/min，打开高压交流电源，控制放电电压40kv，放电频率10kHz，输入功率为48W，激发等离子体，打开进料机15将干燥后的活性炭送入绝缘箱体1内，活性炭在等离子体区域与等离子体碰撞，然后开启旋风分离器6分离尾气与活性炭，尾气经过过滤器8进入混气罐9，在混气罐9中与反应气和蒸气混合，混合气体进入绝缘箱体1的等离子区域重新激发成等离子体再和活性炭继续进行反应，旋风分离器6分理出的活性炭进入活性炭收集箱7，切换进料机15使活性炭经返料器16和进料机15返回等离子体区域，循环3次，处理30min后关闭高压电源，装置冷却至室温，取出改性的活性炭，105℃下烘干10h即得到改性后的活性炭，对得到的活性炭进行吸附试验，所选吸附质为苯酚，初始浓度300mg/l，炭液比2g/L，溶液PH＝7，吸附温度30℃，吸附时间24h，吸附量计算公式如下：
qe＝(V(C0-Ce))/m
V表示溶液的体积；C0表示初始浓度；Ce达到平衡时浓度；m吸附剂的用量，计算得到活性炭的苯酚吸附量为131.7mg/g。
实施例2
本实施例与实施例1的区别是：放电电压50kv，放电频率10kHz，输入功率为60W，得到的活性炭的苯酚吸附量为136.6mg/g。
实施例3
本实施例与实施例1的区别是：放电电压50kv，放电频率10kHz，输入功率为60W，处理时间为15min，得到的活性炭的苯酚吸附量为146.5mg/g。
实施例4
本实施例与实施例1的区别是：放电电压60kv，放电频率10kHz，输入功率为72W，处理时间为10min，得到的活性炭的苯酚吸附量为138.2mg/g。
实施例5
本实施例与实施例1的区别是：放电电压60kv，放电频率10kHz，输入功率为72W，处理时间为15min，得到的活性炭的苯酚吸附量为139.3mg/g。
从图2、图3可以看出经等离子体处理后，活性炭表面被刻蚀，形成更多沟壑，新的孔道打开，孔数量增加，活性炭的物理吸附能力提高。从图4、图5为未处理活性炭和例3活性炭的高分辨率XPS的C1S谱图，将光谱分解为四个峰，得到了最佳的拟合结果，结合能为284.6eV(A峰)、285.8eV(B峰)、287.1eV(C峰)和289.1eV(D峰)分别对应C-C、C-O(醇和醚基)、C＝O(羰基)、O-C＝O(羧基和酯基)，图中可以看出处理后的活性炭表面的C-C键分峰面积减小，酚羟基C-O、羰基C＝O、羧基O-C＝O的分峰面积都显著增加，含氧官能的数量变多，活性吸附位点增加，增强了活性炭的化学吸附能力。
表1是实施例1～实施例5中处理的活性炭和未处理的活性炭的元素含量及含氧官能团数量，从表中可以看出未处理活性炭相比，处理后的样品表面氧含量都明显增加，在例3实施下活性炭氧含量从18.94％增加到20.18％，苯酚吸附量与氧含量表现出正相关性，氧含量的增加同时意味着表面含氧官能团数量的增多，在例3实施下活性炭表面羰基(C＝O)从8.71％增加到15.87％，羧基数量从5.42％增加到9.58％。因此，经过处理，活性炭表面含氧官能团能得到有效提质，还可以看出等离子体处理时间长会对活性炭表面烧蚀严重，比表面积下降和含氧官能团数量减少，导致吸附量下降的原因。
表1实施例1～5中处理的活性炭与未处理的活性炭的元素含量及含氧官能团数量
Figure BDA0002555080760000041

Claims (10)

1.一种增加活性炭含氧官能团的提质装置，其特征在于，包括等离子体反应系统，所述等离子体反应系统包括绝缘箱体(1)和设置在绝缘箱体(1)内的高压电极板(2)和接地电极板(4)，所述高压电极板(2)和接地电极板(4)相互平行布置，所述高压电极板(2)和接地电极板(4)分别与高压电源和大地相接，所述绝缘箱体(1)上设置有进料口(11)和出料口(12)，所述进料口(11)与进料机(15)和进气系统连接，所述出料口(12)与旋风分离器(6)相连，所述旋风分离器(6)出料端连接有活性炭收集箱(7)。
2.根据权利要求1所述的增加活性炭含氧官能团的提质装置，其特征在于，所述活性炭收集箱(7)上还连接有返料箱(16)，所述返料箱(16)出口端连接在进料机(15)上。
3.根据权利要求2所述的增加活性炭含氧官能团的提质装置，其特征在于，所述进料机(15)设置有两个可切换的进料通道，一个进料通道与原料仓(13)相连，另一个进料通道与返料箱(16)相连。
4.根据权利要求1或2所述的增加活性炭含氧官能团的提质装置，其特征在于，还包括尾气再循环系统，所述尾气再循环系统包括混气罐(9)，所述混气罐(9)上设置有第一进气口(17)、第二进气口(18)和出气口(19)，所述第一进气口(17)通过第二风机(14)与旋风分离器(6)出气口相连，所述出气口(19)通过第一风机(10)与绝缘箱体(1)的进料口(11)相连，所述第二进气口(18)与进气系统连接。
5.根据权利要求3所述的增加活性炭含氧官能团的提质装置，其特征在于，所述第一进气口(17)和第二风机(14)之间连接有过滤器(8)。
6.根据权利要求3所述的增加活性炭含氧官能团的提质装置，其特征在于，所述第二进气口(18)包括蒸气进口、反应气进口和载气进口。
7.根据权利要求5所述的增加活性炭含氧官能团的提质装置，其特征在于，所述混气罐(9)和蒸汽进口段外均敷设保温材料。
8.根据权利要求5所述的增加活性炭含氧官能团的提质装置，其特征在于，所述混气罐(9)中气体氧含量5-50％，蒸气用量/活性炭质量比为1％-10％，气体流速为50ml/min-100/min。
9.根据权利要求1所述的增加活性炭含氧官能团的提质装置，其特征在于，所述高压电极板(2)、接地电极板(4)为金属折流板。
10.根据权利要求1所述的增加活性炭含氧官能团的提质装置，其特征在于，所述高压电极板(2)通过高压接线柱(3)与高压电源连接，所述接地电极板(4)通过地线接线柱(5)接地，所述高压电极板(2)、接地电极板(4)之间形成的低温等离子体激发峰值电压范围20kv-100kv，频率5-60kHz。
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