石油焦基活性炭的制备改性及其对CO2的吸附性能

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近年来,由温室效应诱发的高温、冰雹、洪涝以及干旱等灾害性天气频发,因此节能与绿色能源以及温室气体捕获等减排技术日益受到了人们的重视。在所有人类活动造成的温室气体当中CO2排放量最大。因此,如何减少CO2排放是应对温室效应首先要解决的问题。CO2捕集技术因其设备简单,便于操作等优点已收到较多的关注,但吸附法中的捕集成本依然偏高,因而开发品质优良的吸附剂材料已成为当下亟待解决的重要课题之一。本文首先以石油焦为前驱体原料,通过KOH活化处理制备活性炭。考察了制备工艺(碱焦质量比、碱焦混合方式、原料粒度、原料产地)对活性炭成品吸附性能的影响;课题进一步采用KOH/NaOH二次活化的方式对活性炭的孔结构进行调节,利用BET、红外分析等技术考察了二次活化后活性炭性能的变化,并对测试了样品在室温下的C02的吸附性能;本文最后采用硝化-还原的方式对活性炭进行改性,利用孔结构分析、红外分析、元素分析、XPS等手段表征了改性后活性炭表面官能团的种类和数量,测试了改性后样品的C02吸附性能。结果表明:(1)选取湖北焦为碳源,粒度范围在100-150μm内,KOH为活化剂,将两者以质量比为3:1进行干混法混合后,获得的活性炭的CCl4吸附性能可达2252mg/g,而其CO2吸附性能可达15.03mmol/g。(2)为考察活性炭的孔结构对其吸附性能的影响,利用KOH(或NaOH)对步骤(1)中获得的活性炭进行二次活化后,发现样品表面基团基本不变,但孔径分布变宽,样品中出现了一定数量中孔甚至大孔结构,导致样品的CCl4及C02吸附性能下降。当掺入KOH(或NaOH)与石油焦的质量比为1时得到样品在0-4bar的压力范围内的吸附量高于原样,且通过计算得得到其单位比表面积对CO2吸附量也高于原样;对样品进行十轮缓和条件下的吸附一脱附循环后发现:未经二次活化处理的样品由于孔径较小及孔分布较窄导致其吸附量减少略快。(3)为考察活性炭的表面官能团对其吸附性能的影响,通过硝化-还原法成功地在步骤(1)中获得的活性炭样品的表面引入了-NH2等碱性官能团,在改性温度为50。C、混酸与水的体积比例为1:1的情况下硝化反应90min得到的样品吸附性能最佳,样品在室温下以及319.15K下对CO2的吸附量分别高达17.72mmol/g和14.01mmol/g,比原样((1)中最佳样品)分别提高了18%和33%(单位比表面积吸附量的增加幅度)且样品经过4轮缓和条件下的吸附-脱附循环后吸附量未明显下降。
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