一种用于吸附低浓度无机气态污染物的纤维活性炭及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于吸附低浓度无机气态污染物的纤维活性炭及其制备方法，以竹纤维、粘胶纤维或棉花为碳源，经预处理、同步碳化活化、酸洗等工艺，制得纤维活性炭，该材料微孔丰富，比表面积大，能在室温下同时吸附低浓度的二氧化硫、氮氧化物等多种无机气态污染物，适用于道路两侧建筑物、隧道、地下停车场、路边收费站等建筑的室内空气净化。
【专利说明】一种用于吸附低浓度无机气态污染物的纤维活性炭及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于吸附低浓度无机气态污染物的纤维活性炭及其制备方法，属于空气净化领域。
【背景技术】
[0002]燃煤、机动车尾气排放的大气污染物是造成我国大气污染严重的主要原因，其中二氧化硫、氮氧化物等无机气态污染物广泛存在于大气环境中。此类污染物具有较强的气体扩散性，在道路两侧建筑物、隧道、地下停车场、路边收费站等建筑的室内聚集，危害人体健康。目前，围绕室内空气净化已进行了大量研究，多种类型的空气净化器也已问世，但主要针对的污染物是颗粒物、微生物、甲醛和苯系物之类的挥发性有机化合物，有关室内低浓度无机气态污染物净化的研究较少。
[0003]活性炭材料是空气净化中常用的吸附剂，但是普通颗粒活性炭孔径分布较宽，吸附选择性差，净化见效慢；而纤维活性炭不同于颗粒活性炭，其孔隙直接开口于表面，具有丰富的微孔及较窄的孔径分布，吸附路径短，速率快，适用于室温下低浓度无机气态污染物的净化。另外，纤维活性炭表面丰富的官能团结构对吸附也有重要影响，尤其是含氮官能团和含氧官能团，增加含氮官能团可增强表面极性和碱性，利于酸性气体的吸附，减少含氧官能团可增加SO2活性位，增强纤维活性炭对SO2的吸附效果，尤其是热解时释放CO的含氧官能团是影响SO2吸附的重要因素。
[0004]纤维活性炭的制备流程包括预处理、碳化、活化及后期处理，工业上常用气体活化的方法，此法操作简单、成本低，但是制得的纤维活性炭比表面积较小，而采用化学试剂活化的方法可获得高比表面积的纤维活性炭，且孔径分布更为集中，但是具有一定的腐蚀性。研究表明，当前研制的纤维活性炭对单一无机气态污染物的吸附效果较好，但是当二氧化硫和氮氧化物等多种污染物同时存在时，不能获得很好的脱除效果。若在纤维活性炭表面负载金属或其氧化物，可增强吸附效果，但是具有制备工艺复杂化、成本提高等弊端。
【发明内容】
[0005]为了克服上述不足，本发明提供了一种能在室温下同时吸附多种低浓度无机气态污染物的纤维活性炭及其制备方法，所述纤维活性炭具有丰富的微孔结构，比表面积大，表面含氮官能团和SO2活性位丰富，特别适用于道路两侧建筑物、隧道、地下停车场、路边收费站等建筑的室内空气净化。
[0006]本发明还提供了该纤维活性炭的制备方法，本制备方法以竹纤维、粘胶纤维或棉花为碳源，经预处理、同步碳化活化、酸洗制备出纤维活性炭，制备工艺简单，所得纤维活性炭吸附性能优良，能在室温下同时吸附低浓度的二氧化硫、氮氧化物等无机气态污染物。
[0007]本发明提供的用于吸附低浓度无机气态污染物的纤维活性炭表面微孔丰富，且微孔孔径约为无机气态污染物分子动力学直径的2倍，比表面积大，表面含有含氮官能团和SO2S性位。
[0008]所述制备方法具体步骤如下:
[0009]( I)将原料纤维用质量百分比浓度为10%的铵盐溶液浸溃6h，浙干水分，烘干，在氮气氛围中加热至400?500 °C半碳化处理。
[0010](2)半碳化处理后的纤维用氢氧化钾或氢氧化钠溶液浸溃6h，浙干水分，烘干，在氮气氛围中加热至800?900°C同步碳化活化。
[0011](3)同步碳化活化后的纤维先浸溃稀盐酸或稀硫酸溶液lh，再用蒸馏水洗涤至中性，浙干水分，烘干，得到纤维活性炭。
[0012]上述步骤(I)中，所述原料纤维为竹纤维、粘胶纤维或棉花，铵盐为氯化铵、磷酸铵、磷酸二氢铵中的一种，以10°c /min的升温速率加热至400?500°C，然后在此温度下保温 60min。
[0013]上述步骤(2)中，氢氧化钾或氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为5%?20%，烘干后的半碳化纤维以10°c /min的升温速率加热至800?900°C，然后在此温度下保温40min。
[0014]上述步骤(3)中，所述稀盐酸或稀硫酸的质量百分比浓度为10%。
[0015]本发明的有益效果:
[0016]本发明以来源广泛的竹纤维、粘胶纤维或棉花为原材料，经预处理、同步碳化活化、酸洗制得纤维活性炭，且未在表面负载金属或其化合物，制备工艺简单，操作方便，成本较低。该纤维活性炭表面微孔丰富，且多数微孔的孔径为二氧化硫、氮氧化物等无机气态污染物分子动力学直径2倍左右，表面含氮官能团和SO2活性位丰富，在室温下对多种无机气态污染物均有较强的吸附能力，吸附速率快，吸附容量大，适用于含有低浓度无机气态污染物的空气净化。
【具体实施方式】
[0017]下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明，但此实施方式并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定。
[0018]实施例1
[0019]( I)取原料竹纤维5g用质量百分比浓度为10%的氯化铵溶液浸溃6h，浙干水分，烘干，在氮气氛围中以10°c /min的升温速率加热至450°C，恒温60min。
[0020](2)半碳化后的纤维用质量百分比浓度为5%的氢氧化钾溶液浸溃6h，浙干水分，烘干，在氮气氛围中以10°c /min的升温速率加热至850°C，恒温40min。
[0021](3)活化后的纤维先用质量百分比浓度为10%的稀盐酸溶液浸溃lh，再用蒸馏水洗涤至中性，浙干水分，烘干，即得本发明纤维活性炭。
[0022]实施例2
[0023]( I)取原料粘胶纤维5g用质量百分比浓度为10%的磷酸铵溶液浸溃6h，浙干水分，烘干，在氮气氛围中以10°c /min的升温速率加热至400°C，恒温60min。
[0024](2)半碳化后的纤维用质量百分比浓度为5%的氢氧化钾溶液浸溃6h，浙干水分，烘干，在氮气氛围中以10°c /min的升温速率加热至800°C，恒温40min。
[0025](3)活化后的纤维先用质量百分比浓度为10%的稀硫酸溶液浸溃lh，再用蒸馏水洗涤至中性，浙干水分，烘干，即得本发明纤维活性炭。[0026]实施例3
[0027](I)取原料棉花纤维5g用质量百分比浓度为10%的磷酸二氢铵溶液浸溃6h，浙干水分，烘干，在氮气氛围中以10°C /min的升温速率加热至500°C，恒温60min。
[0028](2)半碳化后的纤维用质量百分比浓度为5%的氢氧化钠溶液浸溃6h，浙干水分，烘干，在氮气氛围中以10°c /min的升温速率加热至900°C，恒温40min。
[0029](3)活化后的纤维先用质量百分比浓度为10%的稀盐酸溶液浸溃lh，再用蒸馏水洗涤至中性，浙干水分，烘干，即得本发明纤维活性炭。
[0030]实施例4
[0031]除步骤(2)中氢氧化钾溶液的质量浓度改为10%外，其余同实施例1。
[0032]实施例5
[0033]除步骤(2)中氢氧化钾溶液的质量浓度改为15%外，其余同实施例1。
[0034]实施例6
[0035]除步骤(2)中氢氧化钾溶液的质量浓度改为20%外，其余同实施例1。
[0036]对比例1:
[0037]市场销售的一种纤维活性炭。
[0038]吸附性能测试实验:
[0039]测试环境的空气中的无机气态污染物种类繁多，主要以SO2和NO2为主，现取SO2和NO2两种污染物为研究对象。根据《环境空气质量标准》(GB3095-2012) II级，SO2的I小时平均浓度限值为0.5mg/m3,N02的I小时平均浓度限值为0.2mg/m3，根据该标准的10倍配气。
[0040]混合气由SO2标气(274mg/m3)、N02标气(411mg/m3)和压缩空气组成，其中SO2标气流量为15.5mL/min, NO2标气流量为4.lmL/min，压缩空气流量为0.83L/min。将所制得的纤维活性炭剪碎至长度在1-2_后，称取适量，置于U型反应管中，控制填装高度在Icm左右。待三路气完全混合后进入U型反应管，此时空速约为180，OOOh'出口处的气体用大气采样器采样。该吸附性能测试实验是在室温(20-30°C)下进行的。
[0041]采样后的吸收液用分光光度计测量，其中SO2的测定采用甲醛吸收-副玫瑰苯胺分光光度法，NO2的测定采用的是盐酸萘乙二胺分光光度法。测定结果如下表I所示:
[0042]表I吸附性能对照表
[0043]SO2穿透吸附容NO2穿透吸附编号 SO2穿透时间，min NO2穿透时间，min _ 、^_量，mg/g_容量，mg/g
【权利要求】
1.一种用于吸附低浓度无机气态污染物的纤维活性炭的制备方法，其特征在于:所述制备方法包括如下步骤， 第一步，将原料纤维用质量百分比浓度为10%的铵盐溶液浸溃6h，浙干水分，烘干，在氮气氛围中加热至400?500 °C半碳化处理。 第二步，半碳化处理后的纤维用氢氧化钾或氢氧化钠溶液浸溃6h，浙干水分，烘干，在氮气氛围中加热至800?900°C同步碳化活化。 第三步，同步碳化活化后的纤维先浸溃稀盐酸或稀硫酸溶液lh，再用蒸馏水洗涤至中性，浙干水分，烘干，得到纤维活性炭。
2.根据权利要求1所述的一种用于吸附低浓度无机气态污染物的纤维活性炭的制备方法，其特征在于:第一步中，铵盐为氯化铵、磷酸铵或磷酸二氢铵中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种用于吸附低浓度无机气态污染物的纤维活性炭的制备方法，其特征在于:第一步中所述半碳化处理以10°C /min的升温速率加热至400?500°C，然后在此温度下保温60min。
4.根据权利要求1所述的一种用于吸附低浓度无机气态污染物的纤维活性炭的制备方法，其特征在于:所述原料纤维为竹纤维、粘胶纤维或棉花。
5.根据权利要求1所述的一种用于吸附低浓度无机气态污染物的纤维活性炭的制备方法，其特征在于:第二步中所述氢氧化钾或氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为5%?20%。
6.根据权利要求1所述的一种用于吸附低浓度无机气态污染物的纤维活性炭的制备方法，其特征在于:第二步中所述同步碳化活化为烘干后的半碳化纤维以10°C /min的升温速率加热至800?900°C，然后在此温度下保温40min。
7.根据权利要求1所述的一种用于吸附低浓度无机气态污染物的纤维活性炭的制备方法，其特征在于:第三步中所述稀盐酸或稀硫酸的质量百分比浓度为10%。
8.一种用于吸附低浓度无机气态污染物的纤维活性炭，其特征在于:所述纤维活性炭具有丰富的微孔结构，且微孔孔径约为无机气态污染物分子动力学直径的2倍，比表面积大,表面含有含氮官能团和SO2活性位。
9.一种用于吸附低浓度无机气态污染物的纤维活性炭的应用，其特征在于:所述纤维活性炭适用于道路两侧建筑物、隧道、地下停车场或路边收费站的室内空气净化。
【文档编号】B01D53/02GK103480335SQ201310428955
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】朱天乐, 韩颖洁, 王红妍 申请人:北京航空航天大学