活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭改性處理廢氣后用磷酸鹽再活化

　　活性炭是一種經過加工活化的碳，具有發達的多孔結構、高表面積和可用于吸附的高微孔體積。由于其高度微孔性，一克活性炭的表面積可能在1000至2000m2之間，甚至更大。活性炭在空氣處理中有很大的用途，非改性活性炭通常可有效吸附不具有高揮發性(即沸點高于65℃)的有機化合物。然而，為了有效過濾揮發性有機化合物和低分子量氣體，例如氰化氫(HCN)、氯化氰(表示為CK或CNCl)、二氧化硫、氨、甲醛和氯氣，有必要用金屬添加劑浸漬活性炭。通過化學吸附，目標氣體對浸漬金屬的吸附比通過物理吸附對活性炭的吸附更有效。鉻與銅和少量銀最初被發現是一種有效的添加劑組合。目前常用的添加劑包括銅鹽、鋅鹽、鉬鹽、銀鹽和三亞乙基二胺。改性活性炭可有效去除氣體和/或蒸汽，包括有機化合物蒸汽、氯、氯化氫、氰化氫、氯化氰、二氧化硫、硫化氫、甲醛等。

　　用于空氣過濾的改性活性炭在經過一下惡劣工況下，會因浸漬金屬失活而逐漸失去化學吸附有害氣體的功能。為了穩定活性炭免于失活并延長空氣處理器的使用效果，無機磷酸鹽化合物(磷酸及其三種鹽：NaHPO4、Na2HPO4和Na3PO4)被用作兩種不同的浸漬銅、鋅、鉬和三乙烯二胺的活性炭的從新活化添加劑。

　　活性炭失活實驗

　　在實驗條件下活性炭加速失活3個月和6個月，對比常態下的改性活性炭對抗廢氣的效果分別降低了59-89%和>75%。磷酸鹽的添加抑制了活性炭的失活，失活3-6個月后防護值僅下降17~23%和32~37%。一般來說，與正常情況相比，保護后的活性炭可以提高吸附時長。其原因是失活后，特別是在沒有添加劑的活性炭中，浸漬金屬的化學吸附能力非常低。因此，廢氣的吸附主要通過物理吸附發生。干燥去除了占據物理吸附位點的水，從而能夠通過物理吸附吸附一定量的廢氣。實際上，即使活性炭失活并超過其預期保質期，其保護能力也可能通過干燥而部分恢復。

　　磷酸鹽濃度(NaH2PO4·H2O)對活性炭失活的影響

　　為了評估最佳磷酸鹽濃度，通過改變活性炭中NaH2PO4·H2O的濃度進行了進一步的實驗。結果如圖1所示。

　　圖1：磷酸鹽添加劑(NaH2PO4·H2O)濃度對新的和浸漬的活性炭的防護值的影響。(A)改性活性炭，(B)活性炭。

　　如圖1A所示，濃度為3.38wt.%的磷酸鹽添加劑足以實現活性炭保護值的最小降低。對于改性活性炭，使用5.15wt.%磷酸鹽添加劑獲得了最大效率。

　　磷酸鹽類型對活性炭失活的影響

　　為了評估磷酸鹽添加劑類型是否影響添加劑防止活性炭失活下的效果，用其他磷酸鹽化合物(H3PO4、Na2HPO4·2H2O和Na3PO4·12H2O)進行了進一步的實驗。磷酸(H3PO4)和磷酸二氫二水合物(Na2HPO4·2H2O)對活性炭吸附廢氣的保護值的影響分別如圖2和圖3所示。

　　圖2：磷酸濃度對新的和失活的活性炭保護值的影響。

　　圖3：二水合磷酸二氫鹽(Na2HPO4·2H2O)對新的和失活的活性炭保護值的影響。

　　可以看出，濃度為5.15wt.%的磷酸對于抑制失活非常有效(加速失活6個月后保護值保持不變)。然而，添加5.15wt.%磷酸后，初始保護值(對于新碳)顯著降低，從171g/min/m3降至95g/min/m3。總體而言，磷酸是不如NaH2PO4有利的添加劑。

　　使用Na2HPO4·2H2O添加劑的實驗在6.52%的濃度下進行，其摩爾當量相當于5.15%的NaH2PO4·H2O濃度。圖3的結果表明，Na2HPO4·2H2O添加劑也能有效防止失活，但不如NaH2PO4·H2O有效。例如，失活180天后，防護值含有Na2HPO4·2H2O添加劑的活性炭濃度下降至65mg/min/m3相比之下，使用NaH2PO4·H2O添加劑的活性炭為107mg/min/m3。

　　用磷酸三鈉12水合物(Na3PO4·12H2O)在活性炭上進行類似的實驗，活性炭失活后干燥。實驗在11.03wt.%的濃度下進行，相當于4.00wt.%的NaH2PO4·H2O的摩爾當量。很明顯，磷酸三鈉在抑制衰老方面并不有效。經過3個月的加速失活，保護值甚至低于未改性的活性炭。然而，Na3PO4·12H2的效率可能會降低如果在酸性環境中或與酸或酸性化合物一起添加，效果會更好。這是因為酸性條件可以向磷酸鹽提供質子，導致磷酸鈉有效地充當Na2HPO4或NaH2PO4。總體而言，結果表明，在由磷酸及其三種鈉鹽組成的磷酸鹽添加劑中，一元鹽NaH2PO4·H2O是抑制失活最有效的添加劑。

　　活性炭改性處理廢氣后用磷酸鹽再活化的研究中，我們開發了一種含有磷酸鹽添加劑的活性炭，以提高過濾材料的長期抗失活能力。添加磷酸鹽，特別是磷酸二氫鈉NaH2PO4，浸漬有銅、鋅、鉬的活性炭被發現對于抑制在惡劣環境下吸附廢氣的失活效應非常有效。加速失活3個月后，廢氣保護值僅下降約20%，而無添加劑時為96%。與有機添加劑不同，磷酸鹽添加劑不占據物理吸附位點，因此，沒有觀察到針對物理吸附化合物(甲苯)的保護值的降低。活性炭中磷酸鹽添加劑的效率非常高，盡管它沒有抑制銅從碳顆粒的內部到外表面的遷移。

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