论文摘要
活性炭的孔结构发达,表面积巨大,不但吸附性能优异,还具有化学稳定性好,机械强度高,易于再生利用等一系列特点,被广泛应用于工业、国防、化工、环保等领域。尤其近年来随着可持续发展的需要,活性炭作为一种环境友好的材料在吸附储能和高级水处理方面的应用备受关注。从目前的研究现状看,活性炭的制备技术向着高吸附、大表面、低成本、可控化的方向发展。本文首先通过两种简单高效的方法改进了化学活化法,探讨了活化作用机制。在此基础上,设计制造了中试活化反应装置,详细考察了活化温度、活化时间、原料配比和原料粒度对活性炭结构的影响,获得了优化的操作参数。分别考察了活性炭的气相吸附存储天然气的性能和液相吸附水中二甲基亚硝胺（NDMA）的性能。分析了活性炭孔结构、表面性质以及其他因素对吸附过程的影响,建立材料的结构、性质与其使用性能的关系,揭示吸附机理。通过一系列的实验研究和分析,主要研究结果如下:以耦合活化法成功地制备结构发达活性炭,通过水蒸气的活化和协同作用,可以提高活化程度,减少活化剂用量。以碱金属和碱土金属的氯化物和溴化物作为活化助剂,通过助剂阳离子的活化作用和阴离子的电子传递作用,可以增强化学活化造孔过程,制备孔结构更为发达的活性炭材料。设计了中试旋转活化炉,以石油焦为原料,氢氧化钾为活化剂,成功地制备孔结构发达的活性炭产品。当活化剂与石油焦细粉4:1混合,经730℃,1.5小时活化获得的活性炭表面积为2319m2/g,微孔孔容为0.65cm3/g。甲烷吸附实验表明:中试制备的活性炭具有良好的吸附性能,在25℃,3.5MPa条件下,甲烷吸附量均在15%以上,最高可达23.86%。活性炭的甲烷吸附性能主要受表面积以及微孔孔容影响。高表面积和大微孔孔容的活性炭具有更优异的吸附性能,但较多的微孔容易造成垫气量的增加。在吸附过程中,甲烷分子最先以微孔填充形式被吸附到微孔内,待微孔填满后,吸附量的增加较为缓慢,主要由中孔和大孔内的压缩态甲烷贡献。表面改性和负载提高导热性能只能在小范围的调变活性炭的甲烷吸附能力。采用数学推导和计算得到了甲烷-活性炭体系中吸附势和孔径的关系（式5-5）。结果表明:临界条件下,甲烷在活性炭微孔内的吸附特征能E0主要由微孔的孔径Xav决定,孔径越小,吸附特征能越高。吸附自由度n的变化对吸附特征能和平均孔径间的关系影响不大。以水溶液中的NDMA为研究对象,通过不同吸附条件、不同吸附剂的孔结构和表面性质的对比,揭示NDMA的吸附机制。结果表明:活性炭对水溶液中的NDMA有良好的吸附性能,最高可达到24mg/g,远优于分子筛的吸附性能。结合活性炭的孔结构分析表明:NDMA优先吸附于孔径等于或稍大于自身分子直径（0.45nm）的微孔内,吸附容量跟这部分微孔的孔容密切相关。热处理过程可以提高活性炭的表面疏水性,减少水分子的吸附,从而保留了大量可供NDMA分子的非极性甲基端吸附的非极性位,大幅提高了吸附容量。最后,初步研究了TiO2/活性炭材料的吸附降解性能。结果表明:单层分散在活性炭表面的TiO2,具有较高的光催化活性,并通过与活性炭的吸附作用耦合,可以使吸附在活性炭表面的NDMA分解,从而实现低毒或无毒化处理。