乙酸改性活性炭纖維對(duì)SO2吸附性能的研究

羅濤朋

（南昌師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330032）

0 引言

我國發(fā)電方式仍以燃燒煤炭為主。煤炭中含有大量的雜質(zhì)硫，發(fā)電廠、重工企業(yè)等在生產(chǎn)運(yùn)行過程中不斷排放SO2等有毒有害氣體，所以大量科研人員對(duì)低成本綠色環(huán)保吸附材料的研究興趣也不斷增加。ACF 作為一種新型吸附炭材料，是一種含有豐富微孔的多孔性吸附材料，具有比面積大、吸附量大、吸脫附速度快、可重復(fù)使用等特點(diǎn)［1］，是優(yōu)良的空調(diào)濾網(wǎng)、空氣凈化器濾芯材料［2］。綠色和環(huán)保是科研人員都在追求的目標(biāo)，所以活性炭纖維的優(yōu)良性能得到了廣泛研究。通過一定方法的改性處理，可以提升ACF 對(duì)SO2的吸附能力，常見的改性處理方式有熱處理改性和溶液浸泡改性法［3-4］。然而傳統(tǒng)的熱處理方式耗能高、耗時(shí)長，且加熱溫度高、操作難度大，需要惰性氣體保護(hù)，加熱設(shè)備昂貴等，這在一定程度上阻礙了活性炭纖維材料的改性研究發(fā)展。而傳統(tǒng)的溶液浸泡改性用的是強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或氫氧化劑［5］，不夠環(huán)保安全。

本研究以ACF 為前驅(qū)體，分別探究200 ℃熱處理方式和不同體積分?jǐn)?shù)乙酸浸泡處理對(duì)ACF-SO2吸附性能的改性影響。與上述傳統(tǒng)方法相比，反應(yīng)條件更為溫和，乙酸溶液浸泡法在工業(yè)生產(chǎn)中可以大幅降低廢水的排放，更加環(huán)保。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

活性炭纖維（ACF）（北海碳素）；淀粉、碘單質(zhì)、乙酸、濃硫酸、無水亞硫酸鈉、氫氧化鈉、氨基磺酸銨、碘酸鉀（均為分析純，西隴科學(xué)股份有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

電子天平（MP10001）；分析天平（SQP）；紅外光譜（WQF-510A）；電熱恒溫干燥箱（GZX-910MBE）；掃描電子顯微鏡（TESCAN MIRALMS）。

1.3 SO2及改性ACF的制備

1.3.1 SO2的制備。將30 g Na2SO3放入250 mL平底燒瓶中，用兩孔橡膠塞塞住上端，插入100 mL長頸分液漏斗和直角導(dǎo)管。管道的一端連接水箱以收集尾氣。所有接口用真空潤滑脂密封后用20 mL濃硫酸填充長頸分液漏斗，并打開長頸分液漏斗活塞。反應(yīng)發(fā)生5 min后，將導(dǎo)管連接到氣體收集袋，以收集高濃度SO2。

1.3.2 改性ACF 的制備。ACF 原片前處理：將活性炭纖維原片裁剪成15.5 cm×3.5 cm 約2 g 的長片，在烘箱中于120 ℃烘干2 h 后，放入干燥器中備用。將前處理后的ACF 原片標(biāo)記為ACF-0。熱處理改性ACF：將前處理好的ACF 用200 ℃分別熱處理2 h、3 h、4 h、5 h、6 h，取出后進(jìn)行ACF-SO2吸附量測(cè)試。乙酸浸泡改性ACF：將4 mL 冰乙酸溶解在196 mL 去離子水中，配制成200 mL 體積分?jǐn)?shù)為2%的乙酸溶液，以此類推，配制體積分?jǐn)?shù)分別為2%、4%、6%、8%、10%的乙酸溶液200 mL 于250 mL 燒杯中，將前處理好的ACF 分別浸泡在上述溶液中，常溫下浸泡24 h 后取出，用清水在超聲清洗器中洗滌至中性后，放入烘箱120 ℃烘干2 h，再進(jìn)行ACF-SO2吸附量測(cè)試。

1.4 ACF-SO2吸附量測(cè)試

將處理后的ACF放入洗氣瓶?jī)?nèi)，洗氣瓶?jī)深^涂好真空脂，并用止水夾夾緊，制造密封效果。再用進(jìn)樣器從集氣袋中吸取5 mL 高濃度SO2注射進(jìn)洗氣瓶中，靜置48 h。將洗氣瓶進(jìn)氣口接入裝有單向閥的氣泵，另一端連接裝有50 mL吸收液的砂芯吸收瓶，然后打開止水夾、氣泵進(jìn)行吹氣，氣流速度控制在0.5 L∕min 左右，吹1 h。砂芯吸收瓶尾氣接入含有甲基橙的水溶液中以判斷是否有SO2發(fā)生逃逸。

然后將吸收液轉(zhuǎn)入碘量瓶中，用少量吸收液洗滌吸收瓶?jī)纱无D(zhuǎn)入碘量瓶中搖勻，加入50 mL 2 g∕L的淀粉溶液，用0.010 mol∕L的碘標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至藍(lán)色，記錄消耗量V1（mL）。

活性炭纖維吸收SO2含量計(jì)算見式（1）。

式中：K為活性炭纖維吸附SO2含量，mg∕g；C0為注射的SO2濃度，mg∕mL；Vnd為注射SO2的體積，mL；C（1∕2 I2）為碘標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mmol∕L；V1為樣品消耗體積，mL；32.0 表示1 mL 1 mol∕L 碘標(biāo)準(zhǔn)溶液相當(dāng)?shù)亩趸虻馁|(zhì)量（mg）；mACF為活性炭纖維的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅外表征結(jié)果

ACF 材料在不同體積分?jǐn)?shù)乙酸中浸泡后的傅里葉變換紅外光譜如圖1 所示。從圖1 中可以看出，用乙酸改性的ACF 材料在1 630～1 900 cm-1間有羧基或羰基C=O 的伸縮振動(dòng)吸收峰，在3 700～3 850 cm-1間出現(xiàn)明顯的—OH 伸縮振動(dòng)吸收峰。表明材料的比表面積增加，形成更多羧基和羰基等含氧官能團(tuán)，從而提高ACF 材料對(duì)SO2的吸附能力。

圖1 不同體積分?jǐn)?shù)乙酸浸泡24 h后ACF材料FTIR光譜

不同時(shí)間200 ℃熱處理后ACF 材料的傅立葉變換紅外光譜如圖2 所示。從圖2 中可以看出，ACF材料在4 000～3 000 cm-1波段均有峰出現(xiàn)，查閱資料可得，可能是由于存在游離的—OH 官能團(tuán)，2 000～1 000 cm-1波段均有明顯的峰出現(xiàn)，說明可能是在其表面存在羰基、酮基、醛基或者酯基等含氧官能團(tuán)。在1 450 cm-1附近有些許峰出現(xiàn)，這屬于C—C 單鍵骨架振動(dòng)，經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗螅赡鼙砻嫔闪瞬煌N類和數(shù)量的含氧官能團(tuán)，而這類官能團(tuán)不僅增強(qiáng)了ACF 的吸附活性，增強(qiáng)了SO2的親和力，而且在吸附過程中起催化作用，所以會(huì)導(dǎo)致ACF 吸附SO2的效果增強(qiáng)。說明熱處理過程中，吸附質(zhì)分子由于溫度升高，分子動(dòng)能提高從而引起吸脫附速度增大，促進(jìn)了吸附質(zhì)分子與ACF相互作用及其表面官能團(tuán)的生成。

圖2 不同時(shí)間200 ℃熱處理后ACF材料FTIR光譜

2.2 SEM表征結(jié)果

5 000x 下不同處理方式ACF 的SEM 如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在200 ℃熱處理3 h 后，ACF 的纖維相對(duì)于原片而言，纖維表面的粗糙程度明顯增加，可以明顯看到燒蝕現(xiàn)象。因此可以推斷，ACF 在經(jīng)過熱處理后，材料表面更為粗糙，使纖維的比表面積增加，能夠產(chǎn)生更多吸附SO2的活性位點(diǎn)，提高材料對(duì)SO2的吸附能力。而ACF在用4%乙酸浸泡24 h 后，材料表面纖維絲出現(xiàn)明顯的裂紋，纖維表面相對(duì)于原片更為粗糙，并出現(xiàn)了明顯的刻蝕現(xiàn)象，使活性炭纖維表面的比表面積更大，活性位點(diǎn)更多，有助于提高ACF-SO2吸附能力。

圖3 5 000x下ACF的SEM

2.3 改性ACF-SO2吸附性能測(cè)試

200 ℃不同處理時(shí)間改性ACF-SO2吸附量數(shù)據(jù)見圖4和表1。在剛開始熱處理時(shí)，材料對(duì)SO2的吸附能力有明顯提升，在200 ℃熱處理3 h 時(shí)吸附量最大，ACF-SO2吸附量達(dá)到6.269 mg∕g，吸附率提升43.78%。然而隨著熱處理時(shí)間的增加，高溫處理太久會(huì)使碳纖維出現(xiàn)大幅度斷裂，導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降，ACF-SO2吸附量明顯下降。

表1 200 ℃不同熱處理時(shí)間改性ACF-SO2吸附量

圖4 200 ℃不同時(shí)間熱處理改性后ACF-SO2吸附量

不同體積分?jǐn)?shù)乙酸浸泡后ACF-SO2吸附量數(shù)據(jù)見圖5 和表2，經(jīng)乙酸浸泡改性后，ACF 對(duì)SO2的吸附率有明顯提升。隨著乙酸體積分?jǐn)?shù)的增大，吸附能力逐漸升高，在體積分?jǐn)?shù)4%時(shí)達(dá)到最大，吸附量為6.297 mg∕g，相較于原片，對(duì)SO2的吸附量提升了44.45%。乙酸浸泡處理會(huì)使碳纖維產(chǎn)生更多羧基、羰基等含氧官能團(tuán)，并且會(huì)對(duì)ACF 碳纖維表面有刻蝕作用，增加纖維的比表面積，增加活性位點(diǎn)，最終提高ACF-SO2吸附能力。但是在乙酸浸泡體積分?jǐn)?shù)大于4%時(shí)，由于過度刻蝕，會(huì)使碳纖維出現(xiàn)明顯的斷裂，導(dǎo)致碳纖維結(jié)構(gòu)被破壞，使ACF-SO2吸附量下降，乙酸浸泡體積分?jǐn)?shù)越高，材料對(duì)SO2的吸附性能下降越明顯。

表2 不同體積分?jǐn)?shù)乙酸改性ACF-SO2吸附量

圖5 不同體積分?jǐn)?shù)乙酸浸泡后ACF-SO2吸附量

3 結(jié)語

本研究以活性炭纖維為前驅(qū)體，探究了200 ℃熱處理和不同體積分?jǐn)?shù)乙酸浸泡改性對(duì)ACF-SO2吸附性能的影響。結(jié)果表明，兩種改性方法都可以有效提升材料對(duì)SO2的吸附性能。其中200 ℃熱處理3 h可以使ACF-SO2吸附量達(dá)到6.269 mg∕g，吸附性能相較于未改性原片提升了43.78%。4%乙酸溶液浸泡24 h 后，ACF-SO2吸附量達(dá)到6.297 mg∕g，吸附性能相較于未改性原片提升了44.45%。以上兩種改性方法操作簡(jiǎn)單、改性條件溫和。