摘要：研究了改性椰殼活性炭對(duì)甲苯的吸附效率，證明鹽酸改性可以有效提高椰殼活性炭對(duì)于甲苯的吸附效率，浸漬溶液的酸性越強(qiáng)則效率越高。硫酸、硝酸和檸檬酸改性的椰殼活性炭的吸附效率也有所增加。經(jīng)過掃描電子顯微鏡的分析，椰殼活性炭具有發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)，部分位置具有均勻的孔結(jié)構(gòu)，孔徑約為5-10μm。
椰殼為棕櫚科植物椰子的肉果皮，含木質(zhì)素36.51%、纖維素53.06%、戊聚糖29.27%，質(zhì)地堅(jiān)硬。將椰殼炭化后再活化，可得到椰殼活性炭，是一種具有高附加值的椰殼利用途徑。椰殼活性炭是一種應(yīng)用非常廣泛的多孔吸附材料，外觀為黑色，呈破碎狀，具有孔隙發(fā)達(dá)、吸附性能好、強(qiáng)度高、易再生、經(jīng)濟(jì)耐用等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于飲用水、純凈水、制酒、飲料、工業(yè)污水的凈化、脫色、脫氯、除臭。
將多孔材料利用化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行表面和孔結(jié)構(gòu)的改性，是提高吸附劑性能的重要方法之一。將活性炭材料用酸性物質(zhì)改性，可以改變表面官能團(tuán)的種類和數(shù)量，從而改變活性炭的表面結(jié)構(gòu)和吸附性能，是提高活性炭材料利用效率的有效途徑，也是活性炭行業(yè)的研究方向。
近年來室內(nèi)空氣污染越來越嚴(yán)重，其中甲苯是一種危害較大、存在較為普遍的室內(nèi)空氣污染物。采用活性炭作為吸附劑對(duì)甲苯進(jìn)行處理是常見的室內(nèi)空氣凈化手段，目前在飛利浦、松下、夏普和亞都等空氣凈化器廠家中得到了應(yīng)用。利用化學(xué)物質(zhì)對(duì)椰殼活性炭進(jìn)行改性，既保留了椰殼活性炭良好的強(qiáng)度和發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)，又通過化學(xué)物質(zhì)對(duì)活性炭的表面官能團(tuán)進(jìn)行了調(diào)節(jié)，可以提高活性炭對(duì)于甲苯的吸附效率。
本實(shí)驗(yàn)研究了椰殼活性炭被不同化學(xué)物質(zhì)改性后對(duì)甲苯的吸附性能，結(jié)果證明鹽酸可以提高椰殼活性炭對(duì)于甲苯的吸附效率，并研究了酸的類型和強(qiáng)度對(duì)于活性炭吸附效率的影響，具有一定的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。
1、材料與方法
椰殼活性炭來自于鞏義市波濤凈水材料有限公司，未經(jīng)過進(jìn)一步處理。活性炭的改性采用浸漬法，將一定比例的化學(xué)物質(zhì)配成溶液，加熱至70℃，然后將多孔材料浸漬于其中，1h后過濾分離，固體于120℃烘干后備用。
掃描電子顯微鏡型號(hào)為Hitachi S-4800。椰殼活性炭及其他多孔材料的測(cè)試過程如下：將活性炭或其他多孔材料裝載在過濾器中，然后將過濾器安裝在空氣凈化機(jī)上，將空氣凈化機(jī)置于3m3的玻璃密封艙內(nèi)，將凈化機(jī)連接在電源上；然后在玻璃艙內(nèi)發(fā)生定量的污染物，開啟艙內(nèi)的均風(fēng)裝置，待密封艙內(nèi)的污染物濃度均勻后，開啟空氣凈化機(jī)，用甲醛和甲苯氣體分析儀每隔1min記錄污染物的濃度。
2、結(jié)果與分析
2.1 椰殼活性炭的吸附效率
發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)是吸附劑具有較高效率的決定性結(jié)構(gòu)因素，常見作為吸附劑的多孔材料有活性炭、活性氧化鋁、沸石、分子篩、麥飯石等。椰殼活性炭是常見吸附劑，對(duì)很多氣體都有非常好的吸附效果。由圖1可知，幾種多孔材料中，椰殼活性炭對(duì)甲苯的吸附性能較好，分子篩對(duì)甲苯的吸附效果也較高，而麥飯石對(duì)甲苯的吸附效果很差，10min內(nèi)甲苯濃度基本不變化。多孔材料對(duì)于甲苯的吸附主要取決于其孔結(jié)構(gòu)的多少，比表面積較高的椰殼炭材料的吸附性能較好。
2.2 椰殼炭改性后的吸附效率
通過化學(xué)物質(zhì)浸漬，可以改變多孔材料的孔結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)。對(duì)于椰殼活性炭，一些具有一定腐蝕性的化學(xué)物質(zhì)如：鹽酸、氫氧化鈉、雙氧水等可以腐蝕其孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而產(chǎn)生更多的孔，有效提高其吸附性能；另外，這些化學(xué)物質(zhì)可以改變椰殼活性炭表面官能團(tuán)的類型和數(shù)量，進(jìn)而影響椰殼活性炭對(duì)于甲苯的吸附性能。但是，化學(xué)物質(zhì)通過浸漬后會(huì)留在椰殼活性炭的孔結(jié)構(gòu)或者表面，則有可能堵塞活性炭本來的孔結(jié)構(gòu)，反而造成吸附能力的下降。
由圖2可知，氫氧化鈉改性后椰殼活性炭的吸附性能下降，可能是由于氫氧化鈉在烘干后留在活性炭材料的孔和表面，堵塞了一部分孔結(jié)構(gòu)。雙氧水和鹽酸改性后的椰殼活性炭的吸附性能都有一定程度提高，其中鹽酸改性的椰殼活性炭吸附效果更好，說明酸性物質(zhì)可以改變椰殼活性炭表面官能團(tuán)的種類和數(shù)量，進(jìn)而改變活性炭的吸附性能。
從圖3可以看出，檸檬酸處理的活性炭的吸附性能較差，可能是由于檸檬酸的酸性較弱，不能有效改變活性炭的孔結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)。幾種強(qiáng)酸中，鹽酸改性的活性炭對(duì)于甲苯的吸附效果較好，硫酸和硝酸較為接近，具體原因可能是硫酸和硝酸的腐蝕性和氧化性較強(qiáng)，而活性炭具有較強(qiáng)的還原性，二者在浸漬的過程中發(fā)生了反應(yīng)，酸性物質(zhì)反應(yīng)后難以有效改變活性炭表面的官能團(tuán)種類和數(shù)量，效果比鹽酸差。
從圖4可以看出，活性炭對(duì)于甲苯的吸附效率隨著鹽酸濃度的增加而上升。未改性椰殼活性炭對(duì)于甲苯的去除效率為68%，而15%鹽酸處理的椰殼活性炭的吸附效率為87%，證明鹽酸的改性有效提高了椰殼活性炭的吸附效率。
2.3 椰殼活性炭的表面形貌
從圖5-a可以看出，椰殼活性炭的表面存在很多孔結(jié)構(gòu)，較大的孔直徑和形狀并不規(guī)整。在部分椰子殼有缺陷的部位，在缺陷的斷面處可以看見較多的小孔，孔結(jié)構(gòu)比表面更多，說明在活化過程中，缺陷位置更容易活化，在缺陷的孔道和活性炭顆粒的交界地帶，孔結(jié)構(gòu)尤其發(fā)達(dá)，可以清楚地觀測(cè)到一些活化過程中過度腐蝕形成的骨架結(jié)構(gòu)（圖5-b）。活性炭結(jié)構(gòu)的孔分布較寬，微孔、中孔和大孔都較為發(fā)達(dá)，一般大孔的孔壁都有小孔存在，即“大孔套小孔的結(jié)構(gòu)”，由圖5-c、d可以清晰地觀察到大孔的孔壁上有更小的孔存在，而且大孔和小孔的孔徑分布都比較窄。圖5-e可以看到活性炭材料的部分位置存在發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)，孔徑也很均勻，從孔壁上可以看出活性炭骨架結(jié)構(gòu)基本排布成網(wǎng)狀，橫向和縱向的孔都比較多，直徑約為5-10μm。
3、結(jié)論
對(duì)比活性氧化鋁、分子篩和麥飯石等多孔材料，椰殼活性炭對(duì)于甲苯具有更好的吸附效果，在3m3測(cè)試艙內(nèi)10min的凈化效率大于95%。椰殼活性炭經(jīng)過鹽酸改性后對(duì)甲苯的吸附性能提高較大，而經(jīng)過氫氧化鈉改性后吸附能力則有所下降。在酸性物質(zhì)中，鹽酸改性后椰殼活性炭對(duì)于甲苯的吸附效率提高較多，而硫酸、硝酸和檸檬酸的改性效率較鹽酸差。椰殼活性炭具有發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)，孔壁上有較多更小的孔存在，部分位置有大小非常均勻的孔，直徑約為5-10μm。