CN116020415A - 一种用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭及其制备方法，属于挥发性有机物吸附处理技术领域。一种用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭的制备方法，包括：使用浸渍液浸渍处理原始活性炭，处理完成后进行第一干燥，得到浸渍活性炭备用；将所述浸渍活性炭置于疏水改性剂中进行疏水处理，随后经过过滤和第二干燥，即得。所述用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭由上述制备方法制得。本发明提供的方法原料廉价易得，工艺简单可控，所制备得到的疏水活性炭具有对Cl‑VOCs高吸附容量和疏水抗水性能，具备工业化推广使用的潜力。
Description
技术领域
本发明属于挥发性有机物吸附处理技术领域，尤其涉及一种用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭及其制备方法。
背景技术
挥发性有机物(Volatile organic compounds，简称为VOCs)是一类组成十分复杂的有机化合物。VOCs种类繁多，包括烃类、卤代烃、多环芳烃、醛、酯、酮等，其排放来源广泛，包括燃料燃烧、石油化工、涂料、汽车尾气等行业。大量排放的VOCs是PM2.5和O3形成的重要前驱物，会引起酸雨、光化学烟雾、臭氧污染、温室效应等，严重威胁着生态环境和人民的身体健康。其中，含氯挥发性有机物(Cl-VOCs)被广泛应用于工业、农业、农药、医药、有机合成等领域。Cl-VOCs在使用过程中通过挥发、泄漏、排放等途径进入环境中，会造成臭氧层的破坏、光化学烟雾和全球变暖，同时，Cl-VOCs难于生物降解，易在生物体内累积，具有很强的致癌、致畸、致突变的“三致”作用。
鉴于Cl-VOCs对人类健康和环境的危害，人们探索出多种处理方法，其中吸附技术是处理回收Cl-VOCs废气的有效技术，而吸附材料是吸附技术的核心，整个吸附过程的运行效率在很大程度上取决于吸附材料的性能。活性炭、活性炭纤维是使用最广泛的Cl-VOCs吸附剂，为提高吸附剂的吸附容量，常常对其进行改性或者二次活化造孔。公开专利CN102000548A、CN103495386、CN105854809B均通过在活性炭表面负载不同金属氧化物的形式提高其对VOCs的吸附性能，主要利用金属氧化物的酸性和对VOCs的催化氧化特性。但其对于Cl-VOCs吸附没有针对性，且在存在Cl离子时容易中毒失活。专利CN103272565B通过氧化预处理活性炭，促进形成羧基官能团增强烷基嫁接数量，可有效提高活性炭疏水性能，但处理过程使用强氧化剂且需要增加煅烧过程，增加处理成本与污染。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭及其制备方法，以解决上述问题。
为实现以上目的，本发明特采用以下技术方案：
一种用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭的制备方法，包括：使用浸渍液浸渍处理原始活性炭，处理完成后进行第一干燥，得到浸渍活性炭备用；
将所述浸渍活性炭置于疏水改性剂中进行疏水处理，随后经过过滤和第二干燥，即得。
可选的，所述浸渍液的制备包括将水溶性添加剂和金属无机盐溶解于水，即得。
根据路易斯酸碱的软硬理论，Cl离子属于硬碱，大部分碱金属、碱土金属离子属于硬酸，因此通过添加该类无基金属离子可以有效络合Cl-VOCs，提高吸附容量。
可选的，所述水溶性添加剂、金属无机盐和水的质量比为10-20:3-20:100。
可选的，所述水溶性添加剂包括黄腐酸和/或腐殖酸。
黄腐酸和/或腐殖酸的加入一方面可以提高金属无机盐的溶解度与分散度，另一方面引入的大量羧基官能团可以有效提高后续疏水处理的效率，使产品同时具有高疏水性和对Cl-VOCs吸附的针对性。
可选的，所述金属无机盐包括锂盐、钾盐、钠盐、镁盐、钙盐、铁盐、铜盐中的任一种或多种。
优选地，所述金属无机盐为镁盐、钠盐。进一步优选地，所述金属无机盐为硝酸镁、硝酸钠、硝酸钾中的任一种或多种。
可选的，所述浸渍液还包括黄腐酸钠水溶液、黄腐酸钾水溶液、腐殖酸钠水溶液或腐殖酸钾水溶液中的任一种或多种。
水溶性黄腐酸和/或腐殖酸与金属无机盐的混合水溶液可以替换为黄腐酸或者腐殖酸的钠盐或钾盐水溶液。
可选的，所述浸渍的时间为0.5-2h。
本发明方法中，水溶性添加剂的作用主要为，首先在活性炭表明形成大量羧基、羟基等含氧官能团，利用活性炭表面羟基、羧基等含氧官能团与后续添加的疏水改性剂发生反应，从而大大增加疏水基团嫁接数量，有效增加活性炭表面疏水性能，提高活性炭对VOCs(尤其是高湿条件下)的吸附性能；其次，水溶性添加剂可以增加无机盐在溶液中的溶解度和分散度，例如黄腐酸和腐殖酸，均含有丰富的羧基，可以有效捕捉溶液中的金属阳离子，增加金属离子的溶解度；同时，由于黄腐酸和腐殖酸具有较大的分子尺寸，其捕获作用可以阻隔金属离子，使其负载在活性炭表面时高度分散而不易聚集成金属团簇，增强金属离子的利用率。本发明使用含羧基的水溶性添加剂与金属离子同时溶解、同步浸渍的方法，在减少操作步骤的同时实现增加含氧官能团、高度分散金属离子的协同作用。
可选的，所述疏水改性剂包括三甲基氯硅烷。
可选的，所述疏水处理的温度为40-50℃；
优选地，所述疏水处理的时间为5-8h。
大多数Cl-VOCs是疏水性物质，而常规活性炭具有亲水特性，对活性炭进行疏水处理可以有效减少气体中水分子对Cl-VOCs的竞争吸附作用，提高活性炭对Cl-VOCs的吸附性能。选择三甲基氯硅烷作为疏水改性剂，可以很好的与经过浸渍液浸渍过的活性炭表面的羟基、羧基等含氧官能团发生硅烷偶联反应，从而大大增加疏水基团嫁接数量，增加活性炭表面疏水性能，提高其对Cl-VOCs的吸附性能。
本发明还提供一种用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭，由所述的制备方法制得。
本发明的有益效果：
本发明通过在活性炭疏水改性前将活性炭置于富含羧基的大分子添加剂和离子态金属的浸渍液中，同时增强活性炭疏水改性效果和对Cl-VOCs络合吸附能力。该方法在生产过程中避免了活性炭的二次煅烧，且可有效提高产物对Cl-VOCs的吸附容量。
本发明方法所制得的疏水活性炭，对VOCs表现出更好的吸附性能，尤其对Cl-VOCs的针对性吸附效果更加，经过实验验证，其对Cl-VOCs的吸附容量可高达79.8％。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
根据本发明提供的方法制备用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭，具体步骤如下：
S1：取水溶性添加剂黄腐酸、金属无机盐硝酸镁与水按照20:3:100的比例进行溶解，配置得到浸渍液；
S2：室温条件下，将碘值为1020mg/g的商业购买的原始活性炭浸渍于S1所得的浸渍液中，依次通过沥干、烘箱烘干，备用；
S3：将S2所得产物浸泡于三甲基氯硅烷中进行疏水处理，于50℃反应8小时，随后过滤、干燥，即得用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭。
实施例2
根据本发明提供的方法制备用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭，具体步骤如下：
S1：取水溶性添加剂黄腐酸、金属无机盐硝酸镁与水按照20:20:100的比例进行溶解，配置得到浸渍液；
S2：室温条件下，将碘值为1020mg/g的商业购买的原始活性炭浸渍于S1所得的浸渍液中，依次通过沥干、烘箱烘干，备用；
S3：将S2所得产物浸泡于三甲基氯硅烷中进行疏水处理，于50℃反应6小时，随后过滤、干燥，即得用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭。
实施例3
根据本发明提供的方法制备用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭，具体步骤如下：
S1：取水溶性添加剂黄腐酸、金属无机盐硝酸镁与水按照15:10:100的比例进行溶解，配置得到浸渍液；
S2：室温条件下，将碘值为1020mg/g的商业购买的原始活性炭浸渍于S1所得的浸渍液中，依次通过沥干、烘箱烘干，备用；
S3：将S2所得产物浸泡于三甲基氯硅烷中进行疏水处理，于40℃反应6小时，随后过滤、干燥，即得用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭。
实施例4
与实施例3的不同之处在于，S1中配置浸渍液时，水溶性添加剂黄腐酸、金属无机盐硝酸镁与水的用量比为10:20:100；其余参数、条件均相同。
实施例5
与实施例3的不同之处在于，S1中配置浸渍液时，水溶性添加剂黄腐酸、金属无机盐硝酸镁与水的用量比为20:8:100；其余参数、条件均相同。
实施例6
与实施例3的不同之处在于，S1中配置浸渍液时，水溶性添加剂黄腐酸、金属无机盐硝酸镁与水的用量比为20:15:100；其余参数、条件均相同。
实施例7
与实施例3的不同之处在于，S1中配置浸渍液时，水溶性添加剂黄腐酸、金属无机盐硝酸镁与水的用量比为20:20:100；其余参数、条件均相同。
实施例8
根据本发明提供的方法制备用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭，具体步骤如下：
S1：室温条件下，将碘值为1020mg/g的商业购买的原始活性炭浸渍于质量浓度为20％的腐殖酸钠水溶液中，依次通过沥干、烘箱烘干，备用；
S2：将S1所得产物浸泡于三甲基氯硅烷中进行疏水处理，于40℃反应6小时，随后过滤、干燥，即得用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭。
实施例9
与实施例7的不同之处在于，S1中配置浸渍液时，金属无机盐为硝酸钠，浸渍时间为2h；其余参数、条件均相同。
实施例10
与实施例7的不同之处在于，S1中配置浸渍液时，金属无机盐为硝酸钾，浸渍时间为2h；其余参数、条件均相同。
实施例11
与实施例7的不同之处在于，浸渍时间不同，本实施例的浸渍时间为2h。
对比例1
与实施例11的不同之处在于，S1中配置浸渍液时不添加金属无机盐硝酸镁，仅按照20:100的用量比添加黄腐酸和水；其余参数、条件均相同。
对比例2
与实施例11的不同之处在于，S1中配置浸渍液时不添加水溶性添加剂黄腐酸，仅按照20:100的用量比添加金属无机盐硝酸镁和水；其余参数、条件均相同。
性能测试：
针对实施例1-11和对比例1-2制备的疏水活性炭，以及购买的原始活性炭，将其对Cl-VOCs(二氯甲烷)进行吸附测试。
吸附条件为：常温常压下，Cl-VOCs(二氯甲烷)浓度为1000ppm，空速为20000h-1，水含量为5％，稀释气为空气，吸附时间为120min。吸附容量即测试结果如下表1所示。
表1Cl-VOCs吸附性能测试结果表
由实施例1-11可知，本发明提供的方法所制得的用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭，对Cl-VOCs表现出了优秀的吸附性能，吸附容量均远远大于原始活性炭，尤其在本发明的优选条件下所制得的疏水活性炭的吸附容量可高达79.8％。
通过实施例5-7可知，浸渍液体系中金属离子的用量，对于产物的吸附性能具有重要的影响。在本发明优选的范围内，金属离子越多，疏水活性炭吸附容量越大，吸附性能更优。
由实施例9、实施例10和实施例11可知，当配置浸渍液所使用的金属无机盐分别为钠盐、钾盐和镁盐时，其所制得的疏水活性炭的吸附性能虽差异不大，但相对而言，镁盐和钠盐效果更好。
通过实施例4和实施例7可知，浸渍液体系中水溶性添加剂的用量同样影响着产物的吸附性能，在本发明优选的范围内，水溶性添加剂的用量更多，所制得的疏水活性炭的吸附容量更大。
通过实施例11分别与原始活性炭、对比例1和对比例2的比较可知，同时添加富含羧基的水溶性添加剂和金属离子可以显著提高疏水活性炭对于Cl-VOCs吸附容量，尤其是添加金属离子由于增强了对Cl-VOCs的络合作用，对于吸附容量的提升有着更为明显的提高作用。
请注意，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭的制备方法，其特征在于，包括：使用浸渍液浸渍处理原始活性炭，处理完成后进行第一干燥，得到浸渍活性炭备用；
将所述浸渍活性炭置于疏水改性剂中进行疏水处理，随后经过过滤和第二干燥，即得。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述浸渍液的制备包括将水溶性添加剂和金属无机盐溶解于水，即得。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述水溶性添加剂、金属无机盐和水的质量比为10-20:3-20:100。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述水溶性添加剂包括黄腐酸和/或腐殖酸。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述金属无机盐包括锂盐、钾盐、钠盐、镁盐、钙盐、铁盐、铜盐中的任一种或多种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述浸渍液还包括黄腐酸钠水溶液、黄腐酸钾水溶液、腐殖酸钠水溶液或腐殖酸钾水溶液中的任一种或多种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述浸渍的时间为0.5-2h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述疏水改性剂包括三甲基氯硅烷。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述疏水处理的温度为40-50℃；
优选地，所述疏水处理的时间为5-8h。
10.一种用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭，其特征在于，所述疏水活性炭由权利要求1-9任一项所述的制备方法制得。
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| CN202310036885.XA CN116020415B (zh) | 2023-01-10 | 2023-01-10 | 一种用于含氯VOCs吸附的疏水活性炭及其制备方法 |
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| CN106215685A (zh) * | 2016-09-06 | 2016-12-14 | 清华大学 | 一种钙基改性活性炭及其制备方法和应用 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张宜峤: ""黄腐酸锰改性香蒲活性炭对水中Cr(VI)的吸附性能研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》, no. 3, pages 8 - 9 * |
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| CN116020415B (zh) | 2024-01-02 |
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