改性活性炭的制备及其吸附解析效果研究-辽宁化工2022年02期
导读:摘 要: 实验研究了改性活性炭对挥发性有机物的吸附解析效果。通过单因素实验探讨了浸渍液、浸渍时间、浸渍液浓度等因素对挥发性有机物的吸附解析效果,并通过扫描电镜观察了改性前后活性炭表面形貌的变化。结果表明:选择硫酸铜,在浸渍时间24 h,浸渍液浓度1.5%,超声频率40%的条件下,吸附解析效果较好。关 键 词:热解
摘 要: 实验研究了改性活性炭对挥发性有机物的吸附解析效果。通过单因素实验探讨了浸渍液、浸渍时间、浸渍液浓度等因素对挥发性有机物的吸附解析效果,并通过扫描电镜观察了改性前后活性炭表面形貌的变化。结果表明:选择硫酸铜,在浸渍时间24 h,浸渍液浓度1.5%,超声频率40%的条件下,吸附解析效果较好。
关 键 词:热解析—气相色谱;改性;活性炭;挥发性有机物
中图分类号:TQ424.1 文献标识码: A 文章编号: 1004-0935(2022)02-0160-03
随着生活水平的提高,人们对空气质量越来越重视,空气中有害物质的检测关键在于采样和分析,而采样吸附管的吸附性能取决于其填装材料,填装材料是否合适,直接关系到测定结果的准确性。普通的活性炭管无法实现对大气中TVOC进行全面富集的目[1-4]。活性炭改性则是通过一定的方法改变活性炭的表面结构,常用的改性方法有表面氧化法、表面还原法、化合物法等[5-11]。本研究采用新型改性活性炭填充于不锈钢管,用于采集空气中典型气态有机污染物。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
TVOC标准溶液(正己烷、苯、三氯乙烯、甲苯、辛烯、乙酸丁酯、乙苯、对间二甲苯、苯乙烯、邻二甲苯、壬烷、异辛醇、十一烷、十四烷、十六烷),800μg·mL-1,上海安谱实验科技有限公司。
硫酸铜,分析纯,纯度99.0%,西陇化工股份有限公司。
高锰酸钾,分析纯,纯度99.5%,国药集团化学试剂有限公司。
气相色谱仪,SP-3420A,北京北分瑞利分析仪器(集团)有限责任公司。
全自动热解析仪,Auto TD A,成都科林分析技术有限公司。
电子分析天平,AL204,梅特勒-托利多仪器有限公司。
超声波清洗器:KQ-500DE,昆山市超声仪器有限公司。
1.2 活性炭样品预处理与改性活性炭样品的制备
1.2.1 活性炭预处理
将商品活性炭进行预处理,用蒸馏水进行冲洗,冲洗3遍后,置于105 ℃烘箱中,烘干至恒重,冷却后,取出,置于干净的容器中密封保存备用。
1.2.2 负载铜、锰制备改性活性炭
配制质量分数分别为0.5%、1%、1.5%、2%的硫酸铜和高锰酸钾溶液,将活性炭样品置于250 mL干净的锥形瓶中,加入150 mL已经配制好的金属溶液,将瓶口用瓶塞塞住,放入超声中振荡后静置,将活性炭用蒸馏水洗净,在高温下煅烧,煅烧完全后冷却至室温。
1.3 实验方法
取直径6.37 mm,有效长度89 mm的不锈钢管,在其内部填充改性后的活性炭,两端均装有不锈钢丝网和玻璃棉堵住活性炭。将液体样品加入活性炭管中,经过二次热解析后,进入气相色谱仪进行分析。
1.4 仪器工作条件
1.4.1 热解析条件
一级解析时间:5 min,一级解析温度:280 ℃;冷肼加热时间:5 min;二级解析时间:5 min,二级解析温度:300 ℃;脱附流量:40 mL·min-1。
1.4.2 色谱条件
JqsXk7fckqQuz6vb+mm9+w==载气:氮气;升温程序:初始柱箱温度50 ℃,初始柱温的保持时间10 min,升温速率5 ℃·min-1,柱箱终温250 ℃,终温保持时间2 min。
2 结果与讨论
2.1 &FWTgdScXbI87Hg0+t5Rz3Q==nbsp;浸渍液的影响
在浸渍时间48 h,浸渍液质量分数1.5%,超声频率40%的条件下,分别将活性炭浸渍在硫酸铜和高锰酸钾溶液进行改性处理,改性完成后,将活性炭装入不锈钢管,往活性炭管中加入挥发性有机物,通过二次热解析,进入气相色谱仪分别测定各有机物的峰面积来表征其浓度。实验结果见图1所示。
由图1可以看出,与原样相比,采用硫酸铜和高锰酸钾改性后的活性炭大大提高了各有机化合物的吸附解析效果,尤其对高沸点有机物吸附解析效果较好,采用硫酸铜改性后的活性炭对高沸点的有机化合物,如十一烷、十四烷、十六烷吸附解析效果优于高锰酸钾改性后的活性炭,因此本实验选择硫酸铜浸渍改性活性炭。
2.2 浸渍时间的影响
在浸渍液质量分数1.5%,超声频率40%的条件下,将活性炭浸渍在硫酸铜溶液中,分别浸渍12, 24, 48, 60 h进行改性处理,改性完成后,将活性炭装入不锈钢管,往活性炭管中加入挥发性有机物,通过二次热解析,进入气相色谱仪分别测定各有机物的峰面积来表征其浓度。实验结果见图2所示。
由图2可以看出,在其他条件相同的情况下 ,随时浸渍时间的延长,改性后的活性炭管对有机化合物的吸附解析效率越来高,当时间超过24 h后,解析效率提高缓慢,故选择24 h为最佳操作条件。这可能是由于,随着浸渍时间的延长,活性炭改性越完全,吸附解析效果越好。
2.3 浸渍浓度的影响
将活性炭浸渍在硫酸铜溶液中,在浸渍时间为48 h,超声频率40%的条件下,分别在质量分数为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的浸渍液中进行改性处理,改性完成后,将活性炭装入不锈钢管,往活性炭管中加入挥发性有机物,通过二次热解析,进入气相色谱仪分别测定各有机物的峰面积来表征其浓度。实验结果见图3所示。
由图3可以看出,在其他条件相同的情况下,浸渍液质量分数为1.5%时,改性后的活性炭管对有机化合物的吸附解析效率最高,之后随着浸渍液浓度的增加,吸附解析效率则逐渐降低,这是因为当浸渍液浓度过低时,负载不均匀导致活性炭不能完全活化,所以吸附解析效率低。当浸渍液浓度过高时,可能会堵塞部分孔道,从而降低其吸附解析效率。
2.4 活性炭样品表面形貌
活性炭样品表面形貌观察:使用扫描电子显微镜(SEM),型号EVO:MA-15(德国ZEISS公司)。设定扫描电镜测试条件:加速电压20 kV,扫描模式为二次电子振荡模式,工作距离(WD)为13.5 cm,电子束斑SS为30,在1 000倍下,对活性炭的表面形貌进行表征,比较改性前后,活性炭表面形貌发生的变化。结果如图4和图5所示。
由图4可知,原样活性炭孔结构不太明显,孔道内有杂质填充。由图5可以看出,经硫酸铜改性后活性炭,其孔道结构明显不同于未改性的活性炭,改性后活性炭的表面孔道更加明显,更加疏松,活性炭的比表面积更大,这可能是由于活性炭在负载了硫酸铜,经过高温煅烧过程中,发生了非催化的气化反应而产生了微孔结构,从而增加了活性炭的孔道和比表面积。
3 结 论
采用硫酸铜对活性炭进行改性,在超声频率40%时,选择浸渍液质量分数1.5%,浸渍时间24 h为最优改性条件,大大提高了改性后的活性炭管对有机化合物的吸附解析效率。并采用SEM对改性前后的活性炭表面形貌进行观察,改性后的活性炭表面孔道更加疏松,比表面积更大,更加有利于挥发性有机物的吸附解析,可应用于空气质量检测中有害物质的富集和解析。
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Study on Preparation of Modified Activated Carbon
and Its Adsorption and Resolution Effect
QIAN Jia-yan, ZHAO Tong, WU Yi-yu, XV Chen-hong
(Nantong Products Quality Supervision and Inspection Institute, Nantong Jiangsu 226000, China)
Abstract: The adsorption and resolution of volatile organic compounds on modified activated carbon were studied. The effect of immersion solution, immersion time and concentration on VOCs adsorption and resolution was investigated by single factor experiment. The surface morphology of activated carbon was observed by scanning electron microscope before and after modification. The results showed that the adsorption and resolution effect of VOCs was better under the conditions of using copper sulfate, 24 h immersion time, 1.5% immersion mass fraction and 40% ultrasonic frequency.
Key words: Thermal resolution-gas chromatography; Modification; Activated carbon; Volatile organic compounds