负Cu活性炭对氯气的吸附性能研究

王占英

摘 要：活性炭作为一种多孔物质，具有很大的比表面积和较强的吸附性能，其广泛应用于吸附剂和催化剂的载体。本文采用浸渍法制得负Cu活性炭（用Cu/AC表示），并考察了其对氯气吸附性能的影响。利用XRD、FTIR对吸附前后的Cu/AC进行表征分析。研究表明，负载Cu后对氯气吸附性能有显著地提高，且经多次吸附后，结构骨架依然存在，稳定性较好。在0.22MPa、30℃时质量分数5%的Cu/AC最大吸附量为32.73%。

关键词：Cu/AC；氯气；吸附

中图分类号：TQ424 文献标识码：A

含氯气的尾气处理日益成为工业生产中的一大问题。目前常见的含氯气尾气回收大多是采用碱液、水、有机溶剂吸收或者燃烧生产盐酸等方法，这些方法成本高，而且会对环境产生二次污染。

活性炭作为有序多孔炭材料，具有相对大的比表面积和发达的孔径，而且具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，已经在气体吸附储存方面得到了较广泛的应用。王慧娟等采用P-C-T氯气吸附装置对活性炭这种材料的氯气吸附性能进行了实验。发现活性炭对氯气有一定的吸附量，而且能进行多次吸附、脱附、再吸附，吸附量没有明显的下降。李月生等通过实验确定采用等量浸渍法， 以活性炭为载体、可溶性盐为活性组分制备氯气吸附剂。测得该吸附剂的吸附容量可达到7%～12%。然而目前使用的吸附剂对氯气吸附效率较低，因此探索新的高效吸附剂是一项很有意义的工作。本实验使用浸渍法在活性炭（AC）上负载不同质量分数的Cu，并研究了在一定条件下它们对氯气吸附的性能。

1实验部分

1.1 实验试剂与仪器

活性炭（天津登峰试剂厂，40-60目）；CuCl（A.R.级，天津北辰试剂厂）；HCl（A.R.级，太化集团）；实验所用Cl2（99.99%工业级，太化集团）

P-C-T氯气吸附仪器（自制）；Rigaku D/2500 X光衍射仪， 铜K辐射， 工作电压40 kV， 工作电流100mA， 日本理学电机。傅立叶红外光谱仪，FTIR-8400S 型，日本岛津公司。

1.2 催化剂的制备

1.2.1 载体的预处理

将6g活性炭加入到40ml的2mol/L HCL溶液的圆底烧瓶中，在加热温度为200℃，搅拌速度每秒2.5转的条件下进行回流6h。过滤后放入110℃烘箱干燥12h取出备用。改性好的活性炭记作AC-HCl。

1.2.2 Cu的负载

等体积法将上述处理好的AC-HCl浸渍到含有不同质量分数（1%、3%、5%、7%、9%）的CuCl浓氨水溶液中，室温下搅拌6h，洗涤后放入120℃烘箱内干燥活化。将干燥好的活性炭在350℃氢气氛围下还原4-6h，得到Cu/AC。

1.2.3 实验方法

如图1所示为本实验氯气吸附测试使用P-C-T氯气专用吸附装置。将样品装入测试仪器的吸附管中。吸附管升温至150℃，恒温连续抽真空活化3 h，冷却至室温。将冷却后的吸附管放进恒温容器中，在一定温度下向系统中充入氯至所需压力进行氯气吸附。当吸附达到饱和时，即压力表读数稳定且不再发生改变时，记录数据。逐渐降低氯气压力并持续一段时间至压力表读数不发生变化，滴定放出氯气的量，结合压力表读数计算每个平衡压力下的储氯量。根据压力和吸附量作等温吸附曲线图。

2 结果与讨论

2.1 活性炭负载Cu对氯气吸附性能的影响

图2为30℃时活性炭负载Cu前后对氯气吸附量随压力变化曲线图，负载量为5%。

由图2可知，负铜前后活性炭对氯气的吸附基本符合朗格缪尔吸附等温线， 属于物理吸附。负载Cu后的活性炭对氯气的吸附性能较活性炭原样样比有较明显的提高。在压力为0.28MPa，温度为30℃时活性炭原样吸附量为29.47%，而负铜之后的吸附量上升至32.73%。其原因可能有两方面，一方面是由于金属催化剂表面具有聚集氯气的作用，这种作用在一定范围内富集的氯气量大于占有相同体积活性炭孔容时的活性炭对氯气的吸附，表现出的氯气吸附效果优于原始活性炭对氯气的吸附效果。另一方面可能是负载催化剂之前的HCl处理去除了活性炭孔道内的杂质，增大了其比表面积，处理之后的活性炭表现出更好的吸附能力。

2.2 不同负载量的Cu/AC对氯气的吸附性能的影响

图3为变压下负载不同质量分数的Cu/AC在30℃时的氯气吸附特性曲线。图3中可以看出，等压下随着负载量的增加，Cu/AC吸附氯气的量呈现先增大后减小的趋势。活性炭负载金属铜质量分数在5%左右时的吸附效果最佳。一定范围内，随着金属负载量的增大，金属富集氯气的能力明显增强。而当活性炭负载金属催化剂量达到一定值后，铜颗粒将会积聚并占用较多的活性炭体积的孔容，影响了活性炭自身的吸附能力。而金属催化剂本身是无孔的结构，比表面积很小，负载量过大后堵塞了活性炭的孔道，所以吸附量会有所减小。由图可知负铜活性炭最佳吸附氯气的临界质量分数为5%左右。

2.3 多次吸附对Cu/AC的氯气吸附量的影响

图4中的（1）、（2）、（3）、（4）和（5）分别代表活性炭负载金属铜5%在30℃条件下吸附氯气1至5次的等温变压曲线。表1显示出5次吸附量的具体数值。可以看出，在温度30℃、压力0.28MPa时Cu/AC对氯气的吸附量最大。吸附氯气1次、2次、3次、4次和5次后，活性炭负载金属铜5%的氯气吸附量分别为32.73%、32.30%、31.90%、31.83%和29.83%。吸附前后吸附量并没有明显降低。所以Cu/AC在五次吸附后仍表现出较为稳定的状态，也就是说氯气的多次吸附没有破坏活性炭的结构，也没有造成负载金属催化剂的大量损失，所以活性炭负载金属催化剂在氯气吸附方面可以被循环利用。

2.4 XRD图谱分析

图5中a、b分别代表负载含量5%的Cu/AC吸附氯气五次前后XRD图谱。图5上铜在2θ=43.3和50.4左右时出现特征峰，与标准XRD图谱中铜的特征峰位置基本对应。负铜活性炭经五次氯气吸附后的峰强度有所下降，而峰位置基本没有变化，峰强度变化也不大。说明活性炭的整体骨架结构和无定形结构基本未被破坏。经氯气吸附后的活性炭负载铜催化剂的结构并未塌陷，因此活性炭负载金属催化剂铜可以被用来吸附氯气。

2.5 红外光谱分析

图6中a、b分别代表负载量5%的Cu/AC吸附五次氯气前后红外图谱。图6中比较明显的特特征峰有以下几处：3300-3600cm-1之间的特征峰是由于吸附水伸缩振动或者炭材料表面酚羟基所引起的吸收峰；1700-1500cm-1之间的特征峰是由于不饱和键C=C的伸缩振动引起的；1200-1000cm-1之间的特征峰是由于C-O-C的不对称伸缩振动引起的。

图6中a曲线和b曲线相比，可以看出，吸附氯气之后载铜活性炭的特征吸收峰位置未发生迁移，只是强度有所减小，但并不明显。这表明Cu/C催化剂经过五次氯气吸附后结构仍很稳定，表面官能团未产生明显变化，负铜活性炭可以用作氯气吸附剂。

结语

本文研究了负Cu活性炭对氯气吸附性能的影响。实验结果表明：负载Cu后的活性炭对氯气的吸附性能较活性炭原样相比有较明显的提高。30℃时，负载Cu质量分数在5%左右时的吸附效果最佳，最大吸附量可达32.73%。并且经过多次吸附后结构仍未坍塌，其基本骨架结构依然存在。利用负铜活性炭吸附处理氯气将具有广阔的发展前景。

参考文献

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