活性炭纤维吸附去除甲苯综合性实验

银玉容, 施召才

(华南理工大学 环境与能源学院, 广东 广州　510006)



活性炭纤维吸附去除甲苯综合性实验

银玉容, 施召才

(华南理工大学 环境与能源学院, 广东 广州510006)

选用市售的2种活性炭纤维样品作为吸附剂,在模拟甲苯废气环境中进行了甲苯吸附实验。结果表明:4.998 8 g活性炭纤维1#在甲苯的进气质量浓度为6 079 mg/m3时,吸附达到平衡的时间为40 min,甲苯吸附容量为41.85 mg/g；1.703 5 g活性炭纤维2#在甲苯的进气质量浓度为2 718 mg/m3时,吸附达到平衡的时间为20 min,甲苯吸附容量为30.90 mg/g。该实验涉及到实验装置的调校、气相色谱仪的使用和表面吸附理论,而且针对生活中的环境问题,能激发学生的实验兴趣,可作为环境类专业的综合实验,巩固学生的理论知识,培养学生的实践能力和创新能力。

综合性实验； 活性炭纤维； 吸附甲苯

实验教学是培养学生实践创新能力的重要途径。为改变综合性、设计性实验所占比例偏低、提高学生对专业实验的兴趣、培养学生的创新能力和科学素养,开发了综合性实验——活性炭纤维对甲苯的吸附研究。环境污染加剧对生态平衡、人类健康和社会经济可持续发展构成了严重威胁,环境净化受到全世界的广泛重视。室内空气中存在多种挥发性有机物(VOCs),危害人体健康,室内空气的污染源主要有甲醛、苯、甲苯等挥发性有机污染物。目前,针对这类污染物使用的处理方法有吸附、生物处理、化学处理、催化氧化、相转移和光催化降解等方法。其中,吸附和催化降解被认为是消除这些污染物最有效的方法之一[1-12]。吸附法具有脱除效率高、富集功能强、不易造成二次污染等优点,是近年来治理VOCs的主要方法[13-15]。

活性炭纤维(ACF,activated carbon fiber ) 是20世纪70年代初在炭纤维的基础上发展起来的一种新型吸附功能材料,是继粉状、粒状活性炭后的第三代活性炭吸附材料,呈纤维状,纤维丝直径细、微孔结构发达、比表面积和吸附容量大、大量微孔开口在纤维丝表面,由于在结构上的优势使得它具有优良的吸附性能,拥有比常规活性炭更大的比表面积和更快的吸附/脱附速率,从而成为环境保护中一种新型优良吸附剂,现已广泛用于气体分离和废水处理等方面[16-17]。

1　实验装置

实验装置见图1，由气体发生、气体吸附和尾气处理3个部分组成。空气由空气钢瓶进入管路,经过缓冲瓶后进入甲苯液瓶中,带动甲苯分子的挥发并经质量流量计后进入活性炭纤维吸附柱进行吸附,对吸附前后的气体取样，并用气相色谱分析仪进行分析。实验在常温常压条件下进行。

图1　实验装置图

2　实验仪器与试剂

实验仪器:天美GC7890Ⅱ气相色谱仪。

材料与试剂:甲苯(色谱纯)、经硝酸-微波改性加工包裹无纺布的活性炭纤维(市售,编号为1#)、普通活性炭纤维(市售,编号为2#)气相色谱进样针、100 mL玻璃针筒等。

3　实验方法

(1) 标准曲线的绘制。用气相色谱进样针分别取0.1、0.2、0.5、0.8、1.0 μL甲苯,注入到100 mL的玻璃针筒中,调节体积至100 mL,用风筒加热针筒外壁,使甲苯气化,再由气相色谱分析仪测定峰面积,检测器为火焰离子化检测(FID)。气相色谱条件:柱室温度为80 ℃；气化室温度为150 ℃；检测室温度为180 ℃；载气流量 (氮气 ) 为400 mL/min ；无分流 。

(2) 活性炭纤维吸附甲苯实验。将活性炭纤维剪成直径7 cm的圆片,称量,然后放6片活性炭纤维片到吸附柱中,调节空气流量3 L/min,甲苯空气混合气流量3 150 mL/min,在进气取样口用玻璃针筒取样,用气相色谱仪测定其甲苯的浓度。每隔一定时间,在出气取样口取样测定甲苯浓度。并由下式计算甲苯的吸附去除率η:

式中ci、co分别为进出口甲苯质量浓度(mg /m3) 。

4　结果与讨论

4.1标准曲线

用气相色谱分析仪测定甲苯标准气体质量浓度,画出标准曲线见图1。此标准曲线的方程见式(1)，该线性方程的回归系数R，R2=0.991 。

y=20.279x -2779.8

(1)

式中:x为甲苯标准气体质量浓度(mg/m3),y为色谱出峰面积。

图1　甲苯浓度标准曲线

4.2活性炭纤维1#吸附甲苯实验

装置中装载活性炭纤维1#时,出口甲苯质量浓度c随时间t的变化曲线见图2。开始吸附前,进气的甲苯质量浓度为6 079 mg/m3(吸附装置调校好，并稳定一段时间后,在进气取样口取样3次,测定甲苯浓度,取平均值作为进气浓度),气体流速为3 150 mL/min,载气为干燥空气。由图2可知,活性炭纤维1#的表面具有良好的吸附效果,持续通入6 079 mg/m3的甲苯,甲苯的出口浓度很低；18 min后,甲苯的出口浓度开始增大,吸附40 min后,甲苯在活性炭纤维表面逐渐达到吸附平衡。6片7 cm的活性炭纤维(总质量为4.998 8 g)吸附40 min达到平衡时吸附的甲苯总量为209.212 mg,按活性炭纤维的质量计算的甲苯吸附容量为41.85 mg/g,按活性炭纤维的面积计算的甲苯吸附容量为0.91 mg/cm2。

图3为装置中装载活性炭纤维1#时,甲苯的去除率r随时间t的变化曲线。由图3可知,吸附初始阶段,活性炭纤维的吸附效果很好,在前15 min,通入的甲苯95%以上被活性炭纤维吸附,随着吸附的进行,活性炭纤维表面的吸附能力逐渐下降,甲苯的去除率下降,至40 min时,吸附到达平衡,活性炭纤维的表面吸附达到饱和,甲苯的出口浓度与进口浓度接近。

图2　活性炭纤维1#对甲苯的吸附曲线

图3　活性炭纤维1#对甲苯的去除率随时间的变化曲线

4.3活性炭纤维2#吸附甲苯实验

装置中装载活性炭纤维2#时,甲苯出口浓度随时间的变化曲线见图4。开始吸附前,甲苯的进气质量浓度为2 718 mg/m3(吸附装置调校好并稳定一段时间后,在进气取样口取样3次,测定甲苯浓度,取平均值作为进气浓度),气体流速为3 150 mL/min,载气为干燥空气。由图4可知,活性炭纤维2#的表面吸附能力比1#差,持续通入2 718 mg/m3的甲苯,在前4 min,88%的甲苯被活性炭纤维2#吸附；随后,吸附能力迅速下降,吸附20 min后,甲苯在活性炭纤维2#的表面逐渐达到吸附平衡。6片7 cm的活性炭纤维(总质量1.703 5 g)吸附20 min达到平衡时,吸附的甲苯总量为52.64 mg,按活性炭纤维的质量计算的甲苯吸附容量为30.90 mg/g,按活性炭纤维的面积计算的甲苯吸附容量为0.23 mg/cm2。

图5为装置中装载活性炭纤维2#时,甲苯的去除率随时间的变化曲线。由图5可知,吸附初始阶段,活性炭纤维的吸附效果很好,在通入甲苯的前4 min,88%的甲苯被活性炭纤维2#吸附;随着吸附的进行,活性炭纤维表面的吸附能力迅速下降,甲苯的去除率快速下降,至20 min时,吸附到达平衡,活性炭纤维的表面吸附达到饱和,甲苯的出口浓度与进口浓度接近。

图4　活性炭纤维2#对甲苯的吸附曲线

图5　活性炭纤维2#对甲苯的去除率随时间的变化曲线

5　结论

(1) 活性炭纤维对甲苯有较好的吸附作用,达到吸附平衡的时间较短,活性炭纤维1#为40 min,活性炭纤维2#为20 min,活性炭纤维1#对甲苯吸附容量为41.85 mg/g,活性炭纤维2#对甲苯吸附容量为30.90 mg/g。

(2) 活性炭纤维1#的吸附性能优于活性炭纤维2#,活性炭纤维的表面化学结构和孔隙结构是影响其吸附能力的重要因素,活性炭纤维1#经过改性压实并包裹无纺布,改变了活性炭纤维的孔隙结构,甲苯穿过活性炭纤维的时间更长,更容易被活性炭纤维吸附,提高了其吸附性能。

References)

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Comprehensive experiment of adsorption of toluene on activated carbon fiber

Yin Yurong, Shi Zhaocai

(College of Environment and Energy,South China University of Technology,Guangzhou 510006, China)

Two kinds of activated carbon fiber bought from market were used as adsorptive. The toluene adsorption experiments were carried out in the environment of simulating toluene. The result showed that equilibrium adsorption was established within 40 min,the adsorption capacity reached 41.85mg/g when the initial toluene concentration was 6079mg/m3and the weight of activated carbon fiber 1# was 4.9988g. For activated carbon fiber 2#,equilibrium adsorption time was 20min,and the adsorption capacity was 30.90mg/g,when the initial toluene concentration was 2718mg/m3and the weight of activated carbon fiber was 1.7035g. This experiment involves equipment adjusting,gas chromatograph using and theories of surface adsorption, and aiming at environmental problem in life,it can be used as a comprehensive experiment for students being in environment major,which is beneficial to strengthen students’ theoretical knowledge and improve their practical and innovative ability.

comprehensive experiment; activated carbon fiber; adsorption of toluene

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.009

2015-12-26

华南理工大学教学改革项目( x2hj-Y1151180)

银玉容(1968—),女,湖南邵阳,博士,高级实验师,从事实验教学和实验室的建设与管理工作

E-mail:ppyryin@scut.edu.cn

X511；G642.0

B

1002-4956(2016)6-0028-03

实验技术与方法