王占英

摘 要：活性炭作為一種多孔物質(zhì)，具有很大的比表面積和較強(qiáng)的吸附性能，其廣泛應(yīng)用于吸附劑和催化劑的載體。本文采用浸漬法制得負(fù)Cu活性炭（用Cu/AC表示），并考察了其對氯氣吸附性能的影響。利用XRD、FTIR對吸附前后的Cu/AC進(jìn)行表征分析。研究表明，負(fù)載Cu后對氯氣吸附性能有顯著地提高，且經(jīng)多次吸附后，結(jié)構(gòu)骨架依然存在，穩(wěn)定性較好。在0.22MPa、30℃時(shí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的Cu/AC最大吸附量為32.73%。

關(guān)鍵詞：Cu/AC；氯氣；吸附

中圖分類號：TQ424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

含氯氣的尾氣處理日益成為工業(yè)生產(chǎn)中的一大問題。目前常見的含氯氣尾氣回收大多是采用堿液、水、有機(jī)溶劑吸收或者燃燒生產(chǎn)鹽酸等方法，這些方法成本高，而且會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。

活性炭作為有序多孔炭材料，具有相對大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔徑，而且具有良好的吸附性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，已經(jīng)在氣體吸附儲存方面得到了較廣泛的應(yīng)用。王慧娟等采用P-C-T氯氣吸附裝置對活性炭這種材料的氯氣吸附性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)活性炭對氯氣有一定的吸附量，而且能進(jìn)行多次吸附、脫附、再吸附，吸附量沒有明顯的下降。李月生等通過實(shí)驗(yàn)確定采用等量浸漬法， 以活性炭為載體、可溶性鹽為活性組分制備氯氣吸附劑。測得該吸附劑的吸附容量可達(dá)到7%～12%。然而目前使用的吸附劑對氯氣吸附效率較低，因此探索新的高效吸附劑是一項(xiàng)很有意義的工作。本實(shí)驗(yàn)使用浸漬法在活性炭（AC）上負(fù)載不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu，并研究了在一定條件下它們對氯氣吸附的性能。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

活性炭（天津登峰試劑廠，40-60目）；CuCl（A.R.級，天津北辰試劑廠）；HCl（A.R.級，太化集團(tuán)）；實(shí)驗(yàn)所用Cl2（99.99%工業(yè)級，太化集團(tuán)）

P-C-T氯氣吸附儀器（自制）；Rigaku D/2500 X光衍射儀， 銅K輻射， 工作電壓40 kV， 工作電流100mA， 日本理學(xué)電機(jī)。傅立葉紅外光譜儀，F(xiàn)TIR-8400S 型，日本島津公司。

1.2 催化劑的制備

1.2.1 載體的預(yù)處理

將6g活性炭加入到40ml的2mol/L HCL溶液的圓底燒瓶中，在加熱溫度為200℃，攪拌速度每秒2.5轉(zhuǎn)的條件下進(jìn)行回流6h。過濾后放入110℃烘箱干燥12h取出備用。改性好的活性炭記作AC-HCl。

1.2.2 Cu的負(fù)載

等體積法將上述處理好的AC-HCl浸漬到含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1%、3%、5%、7%、9%）的CuCl濃氨水溶液中，室溫下攪拌6h，洗滌后放入120℃烘箱內(nèi)干燥活化。將干燥好的活性炭在350℃氫氣氛圍下還原4-6h，得到Cu/AC。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)方法

如圖1所示為本實(shí)驗(yàn)氯氣吸附測試使用P-C-T氯氣專用吸附裝置。將樣品裝入測試儀器的吸附管中。吸附管升溫至150℃，恒溫連續(xù)抽真空活化3 h，冷卻至室溫。將冷卻后的吸附管放進(jìn)恒溫容器中，在一定溫度下向系統(tǒng)中充入氯至所需壓力進(jìn)行氯氣吸附。當(dāng)吸附達(dá)到飽和時(shí)，即壓力表讀數(shù)穩(wěn)定且不再發(fā)生改變時(shí)，記錄數(shù)據(jù)。逐漸降低氯氣壓力并持續(xù)一段時(shí)間至壓力表讀數(shù)不發(fā)生變化，滴定放出氯氣的量，結(jié)合壓力表讀數(shù)計(jì)算每個(gè)平衡壓力下的儲氯量。根據(jù)壓力和吸附量作等溫吸附曲線圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 活性炭負(fù)載Cu對氯氣吸附性能的影響

圖2為30℃時(shí)活性炭負(fù)載Cu前后對氯氣吸附量隨壓力變化曲線圖，負(fù)載量為5%。

由圖2可知，負(fù)銅前后活性炭對氯氣的吸附基本符合朗格繆爾吸附等溫線， 屬于物理吸附。負(fù)載Cu后的活性炭對氯氣的吸附性能較活性炭原樣樣比有較明顯的提高。在壓力為0.28MPa，溫度為30℃時(shí)活性炭原樣吸附量為29.47%，而負(fù)銅之后的吸附量上升至32.73%。其原因可能有兩方面，一方面是由于金屬催化劑表面具有聚集氯氣的作用，這種作用在一定范圍內(nèi)富集的氯氣量大于占有相同體積活性炭孔容時(shí)的活性炭對氯氣的吸附，表現(xiàn)出的氯氣吸附效果優(yōu)于原始活性炭對氯氣的吸附效果。另一方面可能是負(fù)載催化劑之前的HCl處理去除了活性炭孔道內(nèi)的雜質(zhì)，增大了其比表面積，處理之后的活性炭表現(xiàn)出更好的吸附能力。

2.2 不同負(fù)載量的Cu/AC對氯氣的吸附性能的影響

圖3為變壓下負(fù)載不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu/AC在30℃時(shí)的氯氣吸附特性曲線。圖3中可以看出，等壓下隨著負(fù)載量的增加，Cu/AC吸附氯氣的量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢?；钚蕴控?fù)載金屬銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%左右時(shí)的吸附效果最佳。一定范圍內(nèi)，隨著金屬負(fù)載量的增大，金屬富集氯氣的能力明顯增強(qiáng)。而當(dāng)活性炭負(fù)載金屬催化劑量達(dá)到一定值后，銅顆粒將會積聚并占用較多的活性炭體積的孔容，影響了活性炭自身的吸附能力。而金屬催化劑本身是無孔的結(jié)構(gòu)，比表面積很小，負(fù)載量過大后堵塞了活性炭的孔道，所以吸附量會有所減小。由圖可知負(fù)銅活性炭最佳吸附氯氣的臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%左右。

2.3 多次吸附對Cu/AC的氯氣吸附量的影響

圖4中的（1）、（2）、（3）、（4）和（5）分別代表活性炭負(fù)載金屬銅5%在30℃條件下吸附氯氣1至5次的等溫變壓曲線。表1顯示出5次吸附量的具體數(shù)值?？梢钥闯?，在溫度30℃、壓力0.28MPa時(shí)Cu/AC對氯氣的吸附量最大。吸附氯氣1次、2次、3次、4次和5次后，活性炭負(fù)載金屬銅5%的氯氣吸附量分別為32.73%、32.30%、31.90%、31.83%和29.83%。吸附前后吸附量并沒有明顯降低。所以Cu/AC在五次吸附后仍表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的狀態(tài)，也就是說氯氣的多次吸附?jīng)]有破壞活性炭的結(jié)構(gòu)，也沒有造成負(fù)載金屬催化劑的大量損失，所以活性炭負(fù)載金屬催化劑在氯氣吸附方面可以被循環(huán)利用。

2.4 XRD圖譜分析

圖5中a、b分別代表負(fù)載含量5%的Cu/AC吸附氯氣五次前后XRD圖譜。圖5上銅在2θ=43.3和50.4左右時(shí)出現(xiàn)特征峰，與標(biāo)準(zhǔn)XRD圖譜中銅的特征峰位置基本對應(yīng)。負(fù)銅活性炭經(jīng)五次氯氣吸附后的峰強(qiáng)度有所下降，而峰位置基本沒有變化，峰強(qiáng)度變化也不大。說明活性炭的整體骨架結(jié)構(gòu)和無定形結(jié)構(gòu)基本未被破壞。經(jīng)氯氣吸附后的活性炭負(fù)載銅催化劑的結(jié)構(gòu)并未塌陷，因此活性炭負(fù)載金屬催化劑銅可以被用來吸附氯氣。

2.5 紅外光譜分析

圖6中a、b分別代表負(fù)載量5%的Cu/AC吸附五次氯氣前后紅外圖譜。圖6中比較明顯的特特征峰有以下幾處：3300-3600cm-1之間的特征峰是由于吸附水伸縮振動或者炭材料表面酚羥基所引起的吸收峰；1700-1500cm-1之間的特征峰是由于不飽和鍵C=C的伸縮振動引起的；1200-1000cm-1之間的特征峰是由于C-O-C的不對稱伸縮振動引起的。

圖6中a曲線和b曲線相比，可以看出，吸附氯氣之后載銅活性炭的特征吸收峰位置未發(fā)生遷移，只是強(qiáng)度有所減小，但并不明顯。這表明Cu/C催化劑經(jīng)過五次氯氣吸附后結(jié)構(gòu)仍很穩(wěn)定，表面官能團(tuán)未產(chǎn)生明顯變化，負(fù)銅活性炭可以用作氯氣吸附劑。

結(jié)語

本文研究了負(fù)Cu活性炭對氯氣吸附性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：負(fù)載Cu后的活性炭對氯氣的吸附性能較活性炭原樣相比有較明顯的提高。30℃時(shí)，負(fù)載Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%左右時(shí)的吸附效果最佳，最大吸附量可達(dá)32.73%。并且經(jīng)過多次吸附后結(jié)構(gòu)仍未坍塌，其基本骨架結(jié)構(gòu)依然存在。利用負(fù)銅活性炭吸附處理氯氣將具有廣闊的發(fā)展前景。

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