CN104759254A - 载铬活性炭的制备方法及用其吸附甲苯的条件与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种载铬活性炭的制备方法及用其吸附甲苯的条件和装置，所述制备方法包括如下步骤：（1）配制浸渍液：将已称量好的铬盐溶解于0.1～10mol/L的酸溶液中，在20～80℃的温度下配制成浸渍液；（2）浸渍活性炭：采用等体积浸渍法或过量浸渍法，将粒度150μm～1700μm的活性炭浸渍于上述的浸渍液中，浸渍后铬元素与活性炭的质量比为0.03～0.3；（3）浸渍：将浸渍活性炭后的溶液于室温下放置3～15小时；（4）干燥：浸渍后的活性炭放置于150℃氮气中干燥4～8小时，得到载铬活性炭。本发明将金属元素铬浸渍于活性炭上，制成载铬活性炭，提高活性炭的吸附能力，对甲苯的饱和吸附量可提高20%～110%。

Description

载铬活性炭的制备方法及用其吸附甲苯的条件与装置

技术领域

本发明属于吸附材料和大气污染处理技术领域，具体涉及一种载铬活性炭的制备方法及用其吸附甲苯的条件与装置。

背景技术

随着现代工业的迅猛发展，二氯甲烷、甲苯、二甲苯、苯等芳香族、卤代烃、醛酮类、酯类、醇类等有机溶剂广泛应用于化工、石油化工、涂布、医药、橡胶、树脂、印刷等各个领域。这些挥发性有机溶剂大多具有毒性，而其中相当一部分最终以有机废气的形式排入大气中，造成大气被严重污染。如果处理不当，即造成原材料的损耗，又污染环境，更为严重的是对人类健康的损害。国家对环境保护工作的日益重视，对大气排放标准的不断提高，使得有机废气的回收处理势在必行。从工业排放的有机废气中回收有机溶剂，即可以减少对环境的污染，又回收了宝贵资源。

目前，国内对于工业有机废气的处理回收方法主要有：热力焚烧法、冷凝法、吸附回收法，其中吸附回收法是用活性炭对有机废气进行吸附净化，其实质是利用活性炭高强度吸附的特性把废气中的有机溶剂吸附到活性炭中并浓缩，经活性炭吸附净化后的气体直接排空，这是一个吸附浓缩的过程，并没有把有机溶剂处理掉，是一个物理过程。当吸附的有机物达到规定的吸附量时，则停止使用，吸附后的有机物经脱附后回收。吸附剂在吸附饱和后，可经过再生程序，循环使用。

活性炭的吸附特性取决于其发达的孔结构和独特的表面化学性质。针对如何提高活性炭的吸附性能，研究者从新型碳材料的制备和普通活性炭改性两方面入手，取得了一系列研究成果。用在吸附领域的新型碳材料主要指的是活性炭纤维，但其制备过程往往非常复杂繁琐，造价也远高于普通活性炭，且使用条件比较苛刻。上述缺点制约了活性炭纤维在工业中的广泛使用。目前，工业上用于气体脱除的碳材料仍然是普通活性炭。

目前，负载型活性炭已被用于脱硫或分离乙烯-乙烷等其他体系，但尚未用于吸附甲苯体系，针对气体中甲苯的吸附脱除多采用的是未负载金属的活性炭，如中国发明专利03159299.6提供了一种甲苯废气回收方法，甲苯回收率可达65%，净化后的净化气的甲苯含量＜40mg/m³，达国标二级标准。在常温下，活性炭的饱和吸附量可满足一般吸附要求，但在高温下活性炭的吸附量却很小。

发明内容

本发明目的是提供一种载铬活性炭的制备方法及用其吸附甲苯的条件和装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种载铬活性炭的制备方法，包括如下步骤：

（1）配制浸渍液：将已称量好的铬盐溶解于0.1～10mol/L的酸溶液中，在20～80℃的温度下配制成浸渍液；

（2）浸渍活性炭：采用浸渍法，将粒度150μm～1700μm的活性炭浸渍于上述的浸渍液中，浸渍后铬元素与活性炭的质量比为0.03～0.3；

（3）浸渍：将浸渍活性炭后的溶液于室温下放置3～15小时；

（4）干燥：浸渍后的活性炭放置于150℃氮气中干燥4～8小时，得到载铬活性炭。

其中，所述步骤（1）中的铬盐为氯化铬、硝酸铬、硫酸铬、醋酸铬、草酸铬中的一种或几种混合；

酸溶液为1mol/L的盐酸溶液。

其中，所述步骤（2）中的浸渍法为等体积浸渍法和过量浸渍法中的一种。

其中，所述步骤（2）中的活性炭为木质、煤质、果壳或椰壳颗粒活性炭。

其中，所述步骤（2）中，浸渍后铬与活性炭的质量比为0.1；

所述步骤（3）中，浸渍时间为12h，若浸渍过程中辅助以超声震荡，浸渍时间可缩短2～5小时。

本发明实施例还提供一种利用上述的载铬活性炭吸附甲苯的吸附条件，为：甲苯气源中甲苯含量＜8%，吸附压力0～1MPa，气体流量＜400mL/min，吸附温度40～200℃。

本发明实施例还提供一种利用上述的载铬活性炭吸附甲苯的装置，包括氮气瓶、减压阀、甲苯气化装置、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第一转子流量计、第二转子流量计、内设载铬活性炭的吸附柱、加热炉、精密压力表、第二微量调节阀和六通阀；

所述吸附柱设于加热炉内；

所述减压阀设置于连通氮气瓶和甲苯气化装置的管道上；

所述第一阀门和第一转子流量计依次设置于连通甲苯气化装置和吸附柱的进气口的管道上；

所述第二阀门设置于连通氮气瓶和吸附柱的进气口管道上；

所述第三阀门设置于连通第二阀门和吸附柱出口的管道上；

所述精密压力表设于吸附柱的进气口处；

所述吸附柱的出气口通过一设有所述第二微量调节阀和第二转子流量计的管道与六通阀相连，净化后的气体流经所述六通阀后排空。

上述的载铬活性炭吸附甲苯的装置还包括程序控温仪，其与所述加热炉相连。

上述的载铬活性炭吸附甲苯的装置还包括第一微量调节阀，其设置于与所述吸附柱的进气口相连、用于再生时在线分析的气管上。

上述的载铬活性炭吸附甲苯的装置还包括气相色谱仪，净化后的气体以通入所述六通阀的氢气为载气，自所述六通阀流出至气相色谱仪。

上述的载铬活性炭吸附甲苯的装置包括3条通路，分别是：

（1）再生时在线分析通路，减压阀、第二阀门、第三阀门和第一微量调节阀打开，第一阀门和第二微量调节阀关闭，氮气作为吹扫气，从吸附柱下方流入，上方流出，把吸附在吸附剂上的甲苯置换出来，脱附气进入气相色谱在线分析。

（2）含甲苯气源的净化通路，减压阀、第一阀门和第二微量调节阀打开，第二阀门、第三阀门和第一微量调节阀关闭，常态为液态的甲苯在甲苯气化装置内气化后与氮气瓶流过来的氮气混合，然后经由吸附柱净化其内的甲苯，净化后的气体由六通阀排空。

（3）吸附效果检验通路，减压阀、第一阀门和第二微量调节阀打开，第二阀门、第三阀门和第一微量调节阀关闭，常态为液态的甲苯在甲苯气化装置内气化后与氮气瓶流过来的氮气混合，然后经由吸附柱净化其内的甲苯，净化后的气体以氢气为载气被送入气相色谱仪，由气相色谱仪显示的色谱来分析吸附柱的吸附效果。

本发明利用载铬活性炭吸附甲苯的理论依据为：甲苯中苯环的共轭π键可与铬离子外层s空轨道重叠形成σ键，与此同时，苯的π^*反键空轨道与金属的d轨道重叠形成π络合键。这种π络合吸附作用力强于物理吸附作用力。因此在某些场合，例如高温下，当物理吸附作用力很弱时，π络合吸附依然可以发挥作用，从而增强吸附剂的吸附能力。而π络合吸附作用力又弱于化学吸附作用力，故又可以很方便的实现吸附剂的再生。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明将金属元素铬浸渍于活性炭上，制成载铬活性炭，提高活性炭的吸附能力，对甲苯的饱和吸附量可提高20%～110%。

附图说明

图1是本发明中利用载铬活性炭吸附甲苯的装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一中相同吸附条件、不同负载量的吸附剂的吸附特性对比图。

其中：1、氮气瓶；2、减压阀；3、甲苯气化装置；4、第一阀门；5、第二阀门；6、第一转子流量计；7、第二转子流量计；8、吸附柱；9、加热炉；10、程序控温仪；11、精密压力表；12、第一微量调节阀；13、第二微量调节阀；14、气相色谱仪；15、六通阀；16、第三阀门。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

一种载铬活性炭的制备方法，包括如下步骤：

（1）配制浸渍液：将已称量好的铬盐溶解于0.1～10mol/L的酸溶液中，在20～80℃的温度下配制成浸渍液；

其中，铬盐为氯化铬，酸溶液最好是1mol/L的盐酸溶液。

（2）浸渍活性炭：采用等体积浸渍法或过量浸渍法，将粒度150μm～1700μm的活性炭浸渍于上述的浸渍液中，浸渍后铬元素与活性炭的质量比为0.03～0.3；

其中，活性炭可选用木质、煤质、果壳和椰壳颗粒活性炭中的一种或几种混合。浸渍后铬与活性炭的最优的质量比为0.1。

（3）浸渍：将浸渍活性炭后的溶液于室温下放置3～15小时；

其中，最优的浸渍时间为12h，若浸渍过程中辅助以超声震荡，浸渍时间可缩短2～5小时。

（4）干燥：浸渍后的活性炭放置于150℃氮气中干燥4～8小时，得到载铬活性炭。

本发明还提供一种利用上述的载铬活性炭吸附甲苯的吸附条件，为：甲苯气源中甲苯含量＜8%，吸附压力0～1MPa，气体流量＜400mL/min，吸附温度40～200℃。

本发明还提供一种利用上述的载铬活性炭吸附甲苯的装置，结构如图1所示，包括氮气瓶1、减压阀2、甲苯气化装置3、第一阀门4、第二阀门5、第一转子流量计6、第二转子流量计7、内设载铬活性炭的吸附柱8、加热炉9、其与所述加热炉9相连的程序控温仪10、精密压力表11、第一微量调节阀12、第二微量调节阀13、气相色谱仪14、六通阀15和第三阀门16。

所述吸附柱设于加热炉内。

所述减压阀设置于连通氮气瓶和甲苯气化装置的管道上。

所述第一阀门和第一转子流量计依次设置于连通甲苯气化装置和吸附柱的进气口的管道上。

所述第二阀门设置于连通氮气瓶和吸附柱的进气口管道上。

所述第三阀门设置于连通第二阀门和吸附柱出口的管道上；

所述精密压力表设于吸附柱的进气口处。

所述第一微量调节阀设置于与所述吸附柱的进气口相连、用于再生时在线分析的气管上。

所述吸附柱的出气口通过一设有所述第二微量调节阀和第二转子流量计的管道与六通阀相连，净化后的气体流经所述六通阀后排空。

净化后的气体以通入所述六通阀的氢气为载气，自所述六通阀流出至气相色谱仪。

上述的载铬活性炭吸附甲苯的装置包括3条通路，分别是：

（1）再生时在线分析通路，减压阀、第二阀门、第三阀门和第一微量调节阀打开，第一阀门和第二微量调节阀关闭，氮气作为吹扫气，从吸附柱下方流入，上方流出，把吸附在吸附剂上的甲苯置换出来，脱附气进入气相色谱在线分析。

（2）含甲苯气源的净化通路，减压阀、第一阀门和第二微量调节阀打开，第二阀门、第三阀门和第一微量调节阀关闭，常态为液态的甲苯在甲苯气化装置内气化后与氮气瓶流过来的氮气混合，然后经由吸附柱净化其内的甲苯，净化后的气体由六通阀排空。

（3）吸附效果检验通路，减压阀、第一阀门和第二微量调节阀打开，第二阀门、第三阀门和第一微量调节阀关闭，常态为液态的甲苯在甲苯气化装置内气化后与氮气瓶流过来的氮气混合，然后经由吸附柱净化其内的甲苯，净化后的气体以氢气为载气被送入气相色谱仪，由气相色谱仪显示的色谱来分析吸附柱的吸附效果。

为说明本发明的载铬活性炭相对普通活性炭的吸附量有所提高，下面以几个实施例进行说明。

实施例一：以20～40目的椰壳活性炭为例(未经负载的活性炭记为AC₀)，将氯化铬溶解于一定体积的1mol/L的HCl溶液中，然后将AC₀浸渍其中。室温下放置12h后，150℃氮气中干燥。浸渍体系中铬和活性炭的质量比分别为0.052:1、0.104:1、0.156:1、0.208:1，所得活性炭吸附剂分别记为AC₁、AC₂、AC₃和AC₄。

将AC₀、AC₁、AC₂、AC₃和AC₄均进行甲苯的吸附实验，吸附条件为：甲苯气源中甲苯含量为5%，吸附压力为0.2MPa，气体流量250mL/min。

相同吸附条件、不同负载量时，载铬活性炭对甲苯的吸附能力如表1和图2所示。

表1：不同负载量吸附剂的吸附特性

由表1和图2可知，相同吸附条件下，不同负载量的载铬活性炭相比未改性活性炭的吸附量均有不同程度的提高，提高率为20%～110%。

实施例二：将氯化铬溶解于一定体积的1mol/L的HCl溶液中，然后将活性炭AC浸渍其中，浸渍体系中铬与活性炭的质量比为0.07:1，室温下放置12h后，150℃氮气中干燥，然后进行甲苯的吸附实验。

甲苯气源中甲苯含量为3%，吸附压力为0.2MPa，气体流量250mL/min，吸附温度为40℃，甲苯的饱和吸附量达到192.46mg/g活性炭，比同样条件下未改性活性炭的吸附量155.91 mg/g活性炭，提高了23.44%。

实施例三：将氯化铬溶解于一定体积的1mol/L的HCl溶液中，然后将活性炭AC浸渍其中，浸渍体系中铬与活性炭的质量比为0.18:1，室温下放置12h后，150℃氮气中干燥，然后进行甲苯的吸附实验。

甲苯气源中甲苯含量为5%，吸附压力为0.6MPa，气体流量300mL/min，吸附温度为120℃，甲苯的饱和吸附量达到153.84mg/g活性炭，比同样条件下未改性活性炭的吸附量101.68mg/g活性炭，提高了51.30%。

实施例四：将氯化铬溶解于一定体积的1mol/L的HCl溶液中，然后将活性炭AC浸渍其中，浸渍体系中铬与活性炭的质量比为0.25:1，室温下放置12h后，150℃氮气中干燥，然后进行甲苯的吸附实验。

甲苯气源中甲苯含量为5%，吸附压力为0.3MPa，气体流量250mL/min，吸附温度为200℃，甲苯的饱和吸附量达到107.50mg/g活性炭，比相同条件下未改性活性炭的吸附量60.90mg/g活性炭，提高了76.52%。

上述的实施例二、三、四说明了不同吸附条件、不同负载量，载铬活性炭相对未改性活性炭的饱和吸附量均有所提高。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进或替换，比如将氯化铬变换为其他铬盐，采用本发明中的制备方法制备负载金属铬的改性活性炭，也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种载铬活性炭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）配制浸渍液：将已称量好的铬盐溶解于0.1～10mol/L的酸溶液中，在20～80℃的温度下配制成浸渍液；

（2）浸渍活性炭：采用浸渍法，将粒度150μm～1700μm的活性炭浸渍于上述的浸渍液中，浸渍后铬元素与活性炭的质量比为0.03～0.3；

（3）浸渍：将浸渍活性炭后的溶液于室温下放置3～15小时；

（4）干燥：浸渍后的活性炭放置于150℃氮气中干燥4～8小时，得到载铬活性炭。

2.根据权利要求1所述的载铬活性炭的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的铬盐为氯化铬、硝酸铬、硫酸铬、醋酸铬、草酸铬中的一种或几种混合；

酸溶液为1mol/L的盐酸溶液。

3.根据权利要求1所述的载铬活性炭的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中的浸渍法为等体积浸渍法和过量浸渍法中的一种。

4.根据权利要求1所述的载铬活性炭的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中的活性炭为木质、煤质、果壳或椰壳颗粒活性炭。

5.根据权利要求1所述的载铬活性炭的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，浸渍后铬与活性炭的质量比为0.1；

所述步骤（3）中，浸渍时间为12h，若浸渍过程中辅助以超声震荡，浸渍时间可缩短2～5小时。

6.一种利用如权利要求1～5中任一项所述的载铬活性炭吸附甲苯的吸附条件，其特征在于，甲苯气源中甲苯含量＜8%，吸附压力0～1MPa，气体流量＜400mL/min，吸附温度40～200℃。

7.一种利用如权利要求1～5中任一项所述的载铬活性炭吸附甲苯的装置，其特征在于，包括氮气瓶、减压阀、甲苯气化装置、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第一转子流量计、第二转子流量计、内设载铬活性炭的吸附柱、加热炉、精密压力表、第二微量调节阀和六通阀；

所述吸附柱设于加热炉内；

所述减压阀设置于连通氮气瓶和甲苯气化装置的管道上；

所述第一阀门和第一转子流量计依次设置于连通甲苯气化装置和吸附柱的进气口的管道上；

所述第二阀门设置于连通氮气瓶和吸附柱的进气口管道上；

所述第三阀门设置于连通第二阀门和吸附柱出口的管道上；

所述精密压力表设于吸附柱的进气口处；

所述吸附柱的出气口通过一设有所述第二微量调节阀和第二转子流量计的管道与六通阀相连，净化后的气体流经所述六通阀后排空。

8.根据权利要求7所述的载铬活性炭吸附甲苯的装置，其特征在于，还包括程序控温仪，其与所述加热炉相连。

9.根据权利要求7所述的载铬活性炭吸附甲苯的装置，其特征在于，还包括第一微量调节阀，其设置于与所述吸附柱的进气口相连、用于再生时在线分析的气管上。

10.根据权利要求7所述的载铬活性炭吸附甲苯的装置，其特征在于，还包括气相色谱仪，净化后的气体以通入所述六通阀的氢气为载气自所述六通阀流出至气相色谱仪。