氧化改性活性炭吸附浓缩低浓度甲烷研究.pdf

第41卷第3期
化工技术与开发
Vol 41 No.3
2012年3月
Technology Development of Chemical Industry
Mar.2012
氧化改性活性炭吸附浓缩低浓度甲烷研究
季芹芹1,王鹏2
(1.中国矿业大学化工学院,江苏徐州22116;2.北京华宇工程有限公司西安分公司,陕西西安710075
摘要:采用H4O2和HNO,作为氧化剂,对市售煤基活性炭表面进行化学改性,探究活性炭表面官能团
随氧化剂浓度的变化规律及其对甲烷吸附的影响。结果发现,硝酸氧化增加了活性炭表面的酸性官能闭,碱
性官能团降低,双氧水氧化使活性炭表面的内酯基含量明显增加,酸性官能闭不利于活性炭对甲烷的吸附
而碱性官能团有利于甲烷的吸附。
关键词:活性炭;改性;甲烷;浓缩
中图分类号:TQ424.1
文献标识码:A
文章编号:1671-9905(2012)03-0018-03
在地下采煤过程中,为了保证安全,通常要
1活性炭改性
向瓦斯气中通人大量空气,将采掘区的瓦斯浓度
取10g活性炭(粒径0.025-0.084m)加人
控制在小于1%的安全范固内,大量的乏风瓦斯100mL浓度分别为5%、10%、15%、20%、30%6(质量
直接排放到大气中,造成了环境污染,浪费了宝分数)的硝酸溶液中,在60℃温度下冷凝回流4h。
贵的资源。以活性炭为吸附剂的变压吸附方法被之后用足量蒸馏水洗净活性炭直至最后蒸馏水
广泛研究用于甲烷的吸附浓缩叫,活性炭的比表呈中性,最后在110℃下干燥12h。
面、孔径和表面官能团都会影响到活性炭对甲烷2.2波尔滴定
的吸附。本文采用硝酸和双氧水作为氧化剂,探
取1g改性后的活性炭于4个锥形瓶中,分别
究了活性炭表面官能团随氧化剂浓度的变化规加人50mL浓度为0.05mol?L的Na_CO2
律及其对甲烷吸附的影响。
NAHCO3、NaOH、盐酸溶液,振荡0.5h后静置24h,
1实验仪器及药品
分别取上层清液10mL,对于 NAICO3、NaOH溶液
直接用20mL0.05mol·I的盐酸溶液进行滴定。
实验药品
对于Na2CO3溶液先加入30ml,0.05mol·L'的盐
市售煤基活性炭,硝酸、碳酸钠、碳酸氢钠、酸溶液,再用20mL0.05mol?L的NaOH溶液进
盐酸、酚酞、甲基橙(均为分析纯)。
行反滴定,以増强实验结果的准确性。对于盐酸
用甲烷和氮气配制浓度1%的低浓度瓦斯气。溶液用0.05molL4的NaOH溶液滴定。波尔滴定
实验仪器
认为, NAHCO3只和活性炭表面的羧基官能固,
2实验方法
Na2CO3可以和活性炭表面的羧基和内酯基
OH可以和活性炭表面的羧基、内酯基和羟基
盐酸溶液可以和活性炭表面的碱性基团发生反
应,通过计算后可以得到改性后活性炭表面羧
基、内酯基、羟基和碱性基团的含量。
2.3动态吸附过程
首先对改性活性炭进行活化,除去活性炭表
面吸附的杂质气体,在120℃下活化Ih。通过稳压
阀使瓦斯混合气维持在0.5kPa,通过装有改性活
1.混合气钢瓶2.吸附柱3.针型4.气相色谱
性炭的吸附管进行吸附,隔一段肘间用气相色谱
图1动态吸附装置
检测尾气中甲烷浓度,当尾气中甲烷浓度不变
作者简介:季芹芹(1987-),女,硕士研究生,主要从事二氧化碳捕集方向的研究,Email:qinqin20060163.com
收稿日期:2011-12-19
第3期
季芹芹等:氧化改性活性炭吸附浓缩低浓度甲烷研究
9
时,减压,用气袋收集吸附管内的吸附浓缩气体,
羧基
内酯基
用气相色谱检测气体浓度,甲烷浓度最高的改性
酚羟基
碱性基闭
活性炭效果最好。
??3
3结果及讨论
红
溫2.0
波尔滴定结果
1.5
在硝酸浓度为5%~206时,内酯基和酚羟基
的含量先变大后变小,这与阎子峰的研究是
0.0
致的,羧基的含量逐渐增大,碱性基团的含量则
0.05
0.10
0.15
0.20
逐渐减少。活性炭表面不含有内酯基和竣基,所
双氧水含量(质量分数)/%
图3活性炭表面各官能团含量変化
以,硝酸氧化可以使活性炭表面的酸性官能团增
加,碱性官能团的数量降低。
4.2动态吸附结果
经双氧水改性后内酯基和酚羟基的含量先
在硝酸浓度为5%~20%时,甲烷被浓缩的浓
上升后又下降,羧基呈下降趋势。碱性官能团的度逐渐下降,说明酸性基团不利于活性炭对甲
含量也是先上升后又下降。经一定浓度的双氧水烷的吸附。硝酸是强氧化性的,当硝酸浓度过高
改性可以引进大量的内酯基,这与范顺利等的的时会破坏活性炭的孔结构,使活性炭的孔容和
研究结果一致。
比表面均减少6?,这也不利于活性炭对甲烷的吸
表1硝酸改性活性炭表面官能团含量变化
附
硝酸浓度
羧基内酯基酚羟基碱性基团
表2浓缩气中甲烷浓度变化
(质量分数〕
mmol
mino
/mmol?
硝酸浓度(质量分数)%浓缩气中甲烷浓度/%
0.05
0.20
1.775
0.725
1.75
0.05
0.01744
0.10
2.325
0.10
0.01264
0.50
0
2.000
0.80
0.15
0.0116
0.20
1.85
2.475
0.425
0.30
0.20
0.01062
羧基含量
一内酯基含量
0.018
酚羟基含量
碱性基团含量
bo4.5
0.016
3.5
?2.5
烂田烂
0.014
0.012
?
0.0
0.10
0.15
0,20
0.010
硝酸浓度(质量分数)/%
0.05
0,10
0.15
0.20
图2活性炭表面各官能团含量変化
硝酸浓度(质量分数)/%
图4浓缩气中甲烷浓度变化曲线
表2双氧水改性活性炭表面官能团含量変化
双氧水含量
羧基内酯基酚羟基碱性基团
(质量分数)mml'8/ml:g/mmol·s
表3浓缩气中甲烷浓度变化
nol
硝酸浓度(质量分数)%浓缩气中甲烷浓度%
1.3
2.725
3.175
1.65
0.05
0.01603
4.475
3.925
0.01317
0.15
3.900
].75
0.15
0.01253
0.20
0.2
1.775
0.725
1.75
0.20
0.01443