活性炭去除硅氧烷

活性炭去除硅氧烷,由于在燃燒過程中形成微晶硅沉積物，硅氧烷的存在挑戰(zhàn)了使用填埋氣體(LFG)作為能量回收的燃料。通常選擇活性炭作為從填埋氣體去除硅氧烷的吸附劑。為了找出影響活性炭吸附硅氧烷容量的關(guān)鍵特征，本文研究了活性炭結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)對(duì)硅氧烷吸附的影響。無煙煤活性炭分別用氨水，鹽酸和熱處理，以獲得具有不同表面性質(zhì)的改性活性炭。測量原始和改性活性炭對(duì)八甲基環(huán)四硅氧烷(D4)的吸附容量。結(jié)果表明，大部分改性活性炭具有比原活性炭更高的硅氧烷吸附容量。采用了幾種方法來表征活性炭。氮吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有采用的改性方法都在一定程度上改變了活性炭孔徑分布。活性炭表面上的窄中孔對(duì)于硅氧烷吸附更加期望。

填埋氣是可再生能源的寶貴來源。它已被用作替代鍋爐，內(nèi)燃機(jī)，燃料電池等化石燃料的燃料。LFG中硅氧烷的存在是特別令人關(guān)注的，因?yàn)檫@類物質(zhì)在燃燒過程中轉(zhuǎn)化為微晶硅沉積物，是造成閥門，圓筒壁和襯里上磨損或堵塞的原因。此外，潤滑油中還含有硅化合物，導(dǎo)致油的頻繁變化。因此，為LFG開發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的硅氧烷去除技術(shù)勢在必行，以增加將其用作燃料的可行性。近年來，越來越多的重要性歸因于去除LFG和沼氣的硅氧烷，其中嘗試了幾種方法去除沼氣中的硅氧烷，包括固體吸附和液體吸收。在研究中，評(píng)估了各種固體吸附材料和液體吸收溶液的硅氧烷消除效率，發(fā)現(xiàn)活性炭吸附是商業(yè)操作中使用最廣泛的方法。已經(jīng)進(jìn)行了研究以研究不同類型的活性炭的硅氧烷吸附特性。為了選擇合適的活性炭從LFG中去除硅氧烷，一些研究試圖發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵的紋理特征。

活性炭決定其硅氧烷吸附能力。具有較高BET表面積，孔體積和pH值的活性炭表現(xiàn)出較高的硅氧烷(D4)吸附能力。活性炭的表面化學(xué)還負(fù)責(zé)其吸附性能。活性炭表面還存在除碳以外的原子，它們以各種形式存在以確定活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)。表面官能團(tuán)的性質(zhì)和濃度可以通過合適的熱處理或化學(xué)處理來改變。用酸處理的活性炭不僅可以降低礦物質(zhì)含量，還可以改變表面積和孔隙率。在氣相或液相中的氧化可以增加活性炭表面氧基團(tuán)的濃度，而在惰性氣氛下加熱可以選擇性地去除這些官能團(tuán)中的一些，活性炭在惰性氣氛中進(jìn)行高溫?zé)崽幚砗罂梢垣@得堿性特性。對(duì)于研究活性炭孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)對(duì)硅氧烷吸附的影響，并由此開發(fā)活性炭特性的簡單描述符，其便于選擇合適的活性炭用于從LFG去除硅氧烷。第二個(gè)目標(biāo)是針對(duì)特定的活性炭提出適當(dāng)?shù)母男苑椒ㄒ愿纳破涔柩跬槲�附能力�?

圖1.硅氧烷吸附實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置。

將約0.5g的每種樣品加入到100mL錐形瓶中，其分別含有50mL的下列0.05M水溶液：HCl，NaHCO3，Na2CO3和NaOH。密封，混合物在25℃振蕩24小時(shí)。用0.05M NaOH或HCl水溶液滴定20mL上清液的等分試樣。通過用NaHCO3，Na2CO3和NaOH溶液的吸附中和分別測定活性炭表面上的酸性基團(tuán)，羧酸(eCOOH)，內(nèi)酯(eC)O)和酚(eOH)基團(tuán)的濃度。用0.05M HCl的吸附中和計(jì)算堿性基團(tuán)的濃度。吸附實(shí)驗(yàn)在本研究中選擇含有CO2和CH4(50/50，v/v)的氣體混合物來模擬LFG并選擇D4用于硅氧烷吸附測試。原始和修改活性炭的D4吸附能力進(jìn)行了測試。圖1所示的裝置用于硅氧烷吸附實(shí)驗(yàn)。計(jì)量氣流(流1)通過回火硅氧烷的表面并被另一氣流稀釋。因此產(chǎn)生了包含硅氧烷的模擬LFG。清掃氣體(流量1)和稀釋氣體(流量2)均由CO2和CH4(50/50，v/v)制備。將模擬的LFG引導(dǎo)通過填充有約1.0g活性炭的吸附管(4cm長度〜0.75cm內(nèi)徑)，然后鼓泡進(jìn)充滿20mL十二烷的氣體洗滌瓶中。吸收溶液每小時(shí)采樣一次，并通過氣相色譜儀用氫火焰離子化檢測器進(jìn)行分析以確定其中的硅氧烷濃度，并計(jì)算出此期間出水中的D4量。一旦出水量超過進(jìn)料氣中硅氧烷濃度的5%，就開始計(jì)算活性炭的吸附容量(吸附硅氧烷的重量/活性炭的重量)。

圖2.堿性基團(tuán)濃度與堿性活性炭的硅氧烷吸附容量之間的關(guān)系。

活性炭酸性和堿性對(duì)D4吸附的影響從D4吸附實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看，經(jīng)不同處理后，活性炭的D4吸附容量或多或少地變化。當(dāng)活性炭僅用HCl處理時(shí)，活性炭的D4吸附能力下降，而本研究中使用的所有其他改性方法導(dǎo)致D4吸附容量的提高。原始和大部分改性活性炭在BET表面積和有利孔隙(孔隙寬度為1.7e3的孔隙)之間的差異。0 nm)對(duì)D4吸附?jīng)]有顯著影響，因此酸性和堿性性質(zhì)對(duì)硅氧烷吸附起重要作用。新開發(fā)的活性炭在不同的改性程序后可能會(huì)接近評(píng)估硅氧烷吸附的表面化學(xué)效應(yīng)，而與表面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)和孔徑效應(yīng)無關(guān)。原始活性炭表現(xiàn)出堿性。NH3·H2O和熱處理都進(jìn)一步提高了堿性基團(tuán)的濃度。圖2描繪了堿性基團(tuán)濃度與堿性活性炭的D4吸附容量之間的相關(guān)性。從圖3可以看出，堿性活性炭的堿性基團(tuán)濃度與其D4吸附容量正相關(guān)。對(duì)于兩步HCl-熱改性的酸性活性炭，也觀察到這種規(guī)律性。因此，可以得出結(jié)論，活性炭表面上的堿性基團(tuán)對(duì)于硅氧烷吸附是期望的。人們一致認(rèn)為活性炭的堿性特征主要?dú)w因于稠合多芳香片上的離域p電子。在N2氣氛下的熱處理可以去除一些酸性基團(tuán)和含氧官能團(tuán)，這些官能團(tuán)通過吸引聚合芳香族片上的p電子并使其定位，從而降低活性炭的堿度。因此，通過熱處理去除氧氣使得活性炭表面不僅更加堿性，而且還具有更小的極性，這是從LFG吸附硅氧烷所需的。除了離域的p電子之外，一部分堿性特征與表面上的一些堿性基團(tuán)如色烯和吡喃酮型結(jié)構(gòu)相關(guān)。由于NH3·H2O是一種弱堿，根據(jù)Boehm滴定的結(jié)果，觀察到在NH3·H2O處理后，不僅一些酸性基團(tuán)被中和，而且在表面上形成了一些堿性基團(tuán)，從而導(dǎo)致以適度增加堿度。結(jié)果，D4吸附容量得到改善。酸性基團(tuán)對(duì)D4吸附能力的影響HCl處理活性炭導(dǎo)致D4吸附能力降低。可以認(rèn)為D4吸附能力的降低可能歸因于羧基的濃度過高。換句話說，活性炭表面上的羧基對(duì)于硅氧烷吸附是不合需要的。至于內(nèi)酯基團(tuán)，它們對(duì)硅氧烷吸附的影響不能僅由本研究中獲得的數(shù)據(jù)確定。然而，在這項(xiàng)研究中應(yīng)用的所有修改方法都使得內(nèi)酯基團(tuán)的變化趨勢相同。

包括堿處理，酸處理和熱處理等方法處理活性炭，隨后生成具有不同表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的交流電。從交流特性和硅氧烷吸附能力之間的觀察關(guān)系可以得出以下結(jié)論：即活性炭表面上的窄介孔對(duì)于來自LFG的硅氧烷吸附更加期望。活性炭的堿性通常與其疏水性有關(guān)，被發(fā)現(xiàn)有利于硅氧烷的吸附。在活性炭表面的酸性基團(tuán)中，發(fā)現(xiàn)羧基對(duì)硅氧烷吸附有嚴(yán)重不利影響，而酚類基團(tuán)有利于硅氧烷吸附。內(nèi)酯基團(tuán)對(duì)硅氧烷吸附的影響不能僅通過本研究中獲得的數(shù)據(jù)來確定。本研究中使用的大多數(shù)改性方法并未導(dǎo)致BET表面積和總孔隙的巨大變。但是經(jīng)過兩步改性后，有的活性炭含有的硅氧烷吸附量最大，因此具有最高的硅氧烷吸附容量。改性適度提高了活性炭堿度，并在一定程度上去除了不需要的羧基，從而提高了活性炭的硅氧烷吸附能力。HCl處理明顯提高了羧基，內(nèi)酯基和酚基等酸性基團(tuán)的濃度，并降低了活性炭的堿性基團(tuán)濃度。增加的羧基導(dǎo)致活性炭對(duì)硅氧烷的吸附能力大大降低。當(dāng)HCl處理的活性炭在N2氣氛下通過加熱進(jìn)一步改性時(shí)，增加的羧酸基團(tuán)被除去，而增加的酚基團(tuán)的濃度沒有很大改變，并且堿性基團(tuán)的濃度增加。結(jié)果，兩步改良活性炭的硅氧烷吸附容量得到改善。