活性炭电热再生技术机理性研究

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活性炭是一种很特别的炭质材料,它具有高度发达的孔隙结构、巨大的比表面积和极好的吸附性能,被广泛应用于去除液体和气体中污染物。这些活性炭一旦吸附饱和,通常就成为被焚弃或者露置在空地上的有害物质,这有造成污染的风险。因此,从节能和环保角度考虑,对吸附饱和活性炭进行再生是一种更具吸引力的选择。活性炭再生是通过不同方法对吸附饱和活性炭进行处理,打破其吸附平衡以使吸附质解吸,使其恢复吸附能力的过程。传统热再生法是通过热传导方式间接给饱和活性炭加热,具有能效低、易烧结、炭损耗大、再生炭的机械强度下降等弊端,因而促使人们寻找新的活性炭再生工艺。本文深入研究了一种新型活性炭再生方法——电热再生法,采用该方法对活饱和活性炭进行了再生,通过TG-FTIR联用系统和氮气吸附仪对再生样品进行了分析研究。本文具体工作内容如下:(1)阐述了活性炭再生的背景和意义,对活性炭的性质、结构和应用等相关概念和特征进行了介绍,概述了现阶段国内外主要的活性炭再生方法及其再生原理。(2)详细介绍了电热再生法的基本原理,对活性炭再生仪器设备进行了具体描述,包括干燥机、再生炉、电源等,并对饱和活性炭进行了再生实验。阐述了热重分析、红外光谱分析和氮吸附实验的具体实验条件,并对活性炭样品进行了相关分析,得到活性炭热解的失重曲线、热解气的红外光谱图以及氮吸附等温线。对饱和活性炭进行不同工况的前处理,研究了其在再生炉内流动时的电压—电流特性。(3)对活性炭再生样品及饱和炭样品进行TG-FTIR联用实验,对所得数据分析后得出活性炭的热解有四个阶段,其主要失重阶段为中间两段:一个是弱吸附位的解吸分解阶段,另一个是强吸附位的裂解分解阶段。活性炭热解主要生成气为:CO2、CO、H2O,其中CO只在更高温度下的裂解分解阶段才会产生。另外,样品再生温度越高,其热解失重越少,但过高的再生温度又会对活性炭结构造成损伤。TG-FTIR实验表明850℃是一个较优的再生温度。(4)采用非等温热重量法,测试得到了升温速率为5K/min、10K/min、15K/min、20K/min、30K/min、50K/min时饱和活性炭的TG曲线。根据所得TG曲线采用FWO无模式函数法求解了饱和活性炭热解过程中裂解段的反应动力学方程,计算了动力学参数,求得活化能为255.57kJ/mol,使用Satava-Sestak法计算得到了该热解段的最佳反应机理函数。(5)采用氮气吸附法对再生炭、新炭和饱和炭样品进行了测试,得到其吸附等温线。通过对吸附等温线进行解析,计算了其比表面积、孔径分布以及孔容积,850℃再生炭是恢复得最好的,其比表面积为838.743m2/g,是新炭的93.7%;孔容积为0.436cc/g,是新炭的97.94%。通过分析得到的孔径分布,发现再生炭的微孔没有明显损失,但相比于新炭,再生炭孔径在4~5nm范围出现新的分布峰。
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