载碘活性炭的制备及表征

范莉莉，刘晓玲，田莉莉

（银川能源学院，宁夏 银川 750105）

载碘活性炭的制备及表征

范莉莉，刘晓玲，田莉莉

（银川能源学院，宁夏 银川 750105）

以太西煤基活性炭为载体，研究了载碘活性炭的制备工艺，并探讨了四氯化碳吸附值、碘/碳和浸渍时间对载碘量的影响。采用BET对制备的载碘活性炭进行了表征，结果表明，当四氯化碳吸附值为85%、碘/碳为10%、浸渍时间为20h时，所制备的载碘活性炭载碘量最高为9.77%，且溶剂回收率高达80%。

活性炭；载碘活性炭；载碘量；脱汞

燃煤是人为汞污染的主要来源之一，燃煤烟气中汞主要以单质汞、二价汞和颗粒态汞3种形式存在［1］。汞具有剧毒性、生物积累性、持久性，对生态环境及人类健康危害极大。人为排放汞约有2/3来自于化石燃料的燃烧［2］。

活性炭具有巨大的比表面积，有利于它对气态汞的物理吸附，同时，活性炭表面存在的表面官能团如羰基等，可加强它对气态汞的化学吸附［3-4］，因此，活性炭是目前研究得最多的一种烟气脱汞吸附剂［5-6］。研究发现，未改性的活性炭对汞的吸附效率低，且代价昂贵，对普通活性炭进行化学改性，在其表面负载硫、氯等非金属单质或化合物，使其以官能团的形式固定在活性炭表面，这些物质与Hg的亲和力比碳与Hg的亲和力强，可以与汞反应生成更稳定的HgS、HgCl2等，优先对汞进行化学吸附，改变活性炭的物理化学性质和吸附能力［7-8］，从而可以显著提高活性炭的除汞效率。但是目前大多数研究主要致力于改性活性炭的除汞效率以及对汞的吸附机理的研究，而对载体活性炭的制备工艺以及如何使其应用到工业化生产中的研究比较少，使得改性活性炭脱汞技术一直处于实验室研究的阶段。

本文以太西煤基活性炭为载体，对制备载碘活性炭的工艺进行了研究，针对以往制备载碘活性炭的方法能耗高、对设备要求高、毒性大、环境污染严重的缺点，研究出了一种经济环保、操作简单的制备载碘活性炭的方法，并确定了最佳工艺条件，同时对制备的载碘体进行了表征和分析。

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

单质碘，无水乙醇，盐酸（均为分析纯）。

实验选用4种煤质颗粒活性炭，其四氯化碳吸附值分别为55%、60%、70%、85%（按GB/T 12496.5-1999检测）。碘吸附值分别为740.36mg·g-1、946mg·g-1、1060mg·g-1、1096mg·g-1（按 GB/T 7702.7-2008检测）。根据其四氯化碳吸附值的不同，分别标记为Ac-55、Ac-60、Ac-70、Ac-85。

15mL衬氟反应釜，马弗炉，TU-1810紫外测定仪，ASAP-2010型比表面积和孔径分布测定仪，水浴恒温振荡器，KYKY-2800B扫描电镜。

1.2 活性炭的预处理

称取一定量的活性炭，向其中加入一定量的8%的盐酸［9-12］，搅拌并加热煮沸，恒温至溶液颜色没有变化，用蒸馏水洗涤至中性，120℃烘干备用。

1.3 载碘活性炭的制备

本实验选用浸渍法制备载碘活性炭。利用单质碘易溶于有机溶剂的性质，首先按比例向无水乙醇中加入一定量的单质碘，待碘完全溶解后，加入上述预处理后的活性炭，密封并置于水浴恒温振荡器中反应一定时间，使碘最大程度地吸附到活性炭表面。待吸附反应结束后，取出并用真空抽滤的方法回收无水乙醇。载碘活性炭移至恒温干燥箱烘至恒重并测定吸附碘含量。

1.4 溶剂的选择

单质碘易溶于氯仿、二硫化碳、乙醚、无水乙醇等有机溶剂，在遵循低毒性、低污染、低价格的原则下，本实验采用无水乙醇作溶剂。

2 结果与讨论

2.1 载碘活性炭的制备工艺研究

2.1.1 四氯化碳吸附值对载碘量的影响

在I/C比为8%，浸渍时间为24h的条件下，考察不同型号活性炭上的载碘量，结果见表1。由表1可知，四氯化碳吸附值不同的活性炭，在相同的制备条件下且当I/C比都为8%时，其载碘率不同，四氯化碳吸附值为85%的活性炭其载碘率较高。

表1 不同型号活性炭上的载碘量

2.1.2 I/C比对载碘量的影响

选用Ac-85活性炭，浸渍24h，考察不同I/C比下活性炭上的负载率，结果见表2。

表2 不同I/C下活性炭上的载碘量（抽滤）

由表2可知：1）在相同的制备条件下，I/C越大，活性炭上负载的碘含量越高，但负载的碘量太大，必然会造成一部分空隙或全部孔隙堵塞，其脱汞效率反而下降。目前市场上销售的载碘活性炭平均载碘量为3%到10%。

2）从表2可以看出，随着I/C比的增加，载碘率反而降低，这与碘在活性炭中的结合状态以及分布情况有关。当I/C比值较低时，碘容易扩散到活性炭内部，从而吸附到活性炭的微孔中，或者与其表面的官能团发生化学反应，而当I/C比达到一定比值时，所制备的载碘活性炭中有一部分碘会吸附在活性炭的较大空隙中或覆盖在活性炭的外表面，达到一定温度时易脱附，从而导致碘损失率的增大。

3）采用抽滤的方式回收溶剂，致使溶剂的回收率较低为80%左右，有很大一部分溶剂吸附在了活性炭上。

市场上销售的载碘活性炭平均载碘量为3%～10%，因此本实验确定，投料时当I/C的比值为10%时，所制载碘活性炭的载碘量为9.77%，为最佳投料比。

2.1.3 浸渍时间对载碘量的影响

选用Ac-85的活性炭，I/C比为10%，考察不同浸渍时间下碘的负载率，结果见表3。由表3 可知，不同的浸渍时间下其载碘量不同，当I/C都为8%且制备条件一定时，浸渍时间为20h时，活性炭吸附的载碘量可达到7.86%。且刚开始时活性炭吸附碘的速率较快，因为刚开始吸附时，活性炭的总孔容积较大，碘容易扩散到活性炭孔内。但是随着活性炭上所载碘量逐渐增高，活性炭的总孔容积逐渐减小，从而使碘吸附到活性炭孔内的速率减小。因此，制备载碘活性炭的最佳浸渍时间为20h。

表3 不同浸渍时间下活性炭上的载碘量

2.2 载碘活性炭的表征

2.2.1 吸附-脱附等温线数据分析

图1 Ac-85活性炭吸附-脱附曲线

图2 载碘活性炭吸附-脱附曲线

图1是Ac-85活性炭的吸附-脱附曲线，图2是载碘活性炭的吸附-脱附曲线。本实验所得结果符合中、大孔物质的吸附等温线。从图1和图2可以看出，在同一相对压力下，负载了碘的活性炭其吸附量明显减少，分析原因应该是活性炭吸附碘后，其孔容减小所致。

2.2.2 BET比表面积及其孔容、孔径

比表面积采用BET方程计算，孔径、孔容采用BJH法计算，结果见表4、5和6。由表中结果可知：1）活性炭负载前后其总孔容、BET比表面积都有了一定程度的减小，其中比表面积减小得最多。这是因为载碘后活性炭空隙中填充了单质碘，使其总孔容和比表面积减小；2）负载前后其孔容都有不同程度的减小，不同孔径的孔的分布也发生了变化。可以看出负载碘后中孔的含量有所减少，而微孔的含量增加了，说明活性炭载碘时大部分的碘主要吸附在了活性炭的中孔孔壁上。

表4 活性炭负载前后比表面积、总孔容以及平均孔径（BET）

表5 活性炭负载前后不同孔径的孔容及孔容比（BJH Adsorption）

表6 活性炭负载前后不同孔径的孔容及孔容变化量（BJH Adsorption）

3 结论

以太西煤基活性炭为载体，利用浸渍法成功制备出具有较高载碘量的载碘活性炭，并确定了制备的最佳工艺条件为：选用四氯化碳吸附值为85%的活性炭，浸渍20h，投料时I/C比按10%加入时，可得到载碘量为9.77%的载碘活性炭。制备工艺具有操作简便、低成本的特点，同时，制备过程中所用的溶剂较以往所用溶剂毒性低，回收率高，符合绿色化学的理念要求。

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Preparation of Iodine-loaded Activated Carbons for Removing Mercury

FAN LI-li， LIU Xiao-ling， TIAN Li-li
（Yinchuan Energy Institute， Yinchuan 750105， China）

Used Taixi coal based-activated carbon as the carrier， the preparation of iodine-loaded activated carbons was studied.The influence of carbon tetrachloride adsorption， I/C and dipping time on carrying amount of iodine was discussed.The structure of the prepared iodine-loaded activated carbon was characterized by BET.The results showed that when the carbon tetrachloride adsorption value was 85%， I/C was 10%， and the time was 20h， the iodine content of the prepared activated carbon was 9.77%， and the solvent recovery rate was 80%.

activated carbon； iodine-loaded activated carbons； iodine-loaded； mercury removal

TQ 424.1

A

1671-9905（2016）09-0018-03

银川能源学院科研基金项目（2015-KY-Y-06）

范莉莉（1988-），女，助教，研究方向：煤化工。电话：13895477043，E-mail： 578269564@qq.com

2016-07-01