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。對于研究活性炭孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)對硅氧烷吸附的影響，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D4吸附?jīng)]有顯著影響，因此酸性和堿性性質(zhì)對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接近評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于硅氧烷吸附是不合需要的。至于內(nèi)酯基團(tuán)，它們對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。