活性炭去除硅氧烷

活性炭去除硅氧烷,由于在燃烧过程中形成微晶硅沉积物，硅氧烷的存在挑战了使用填埋气体(LFG)作为能量回收的燃料。通常选择活性炭作为从填埋气体去除硅氧烷的吸附剂。为了找出影响活性炭吸附硅氧烷容量的关键特征，本文研究了活性炭结构和表面化学对硅氧烷吸附的影响。无烟煤活性炭分别用氨水，盐酸和热处理，以获得具有不同表面性质的改性活性炭。测量原始和改性活性炭对八甲基环四硅氧烷(D4)的吸附容量。结果表明，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。采用了几种方法来表征活性炭。氮吸附实验结果表明，所有采用的改性方法都在一定程度上改变了活性炭孔径分布。活性炭表面上的窄中孔对于硅氧烷吸附更加期望。

填埋气是可再生能源的宝贵来源。它已被用作替代锅炉，内燃机，燃料电池等化石燃料的燃料。LFG中硅氧烷的存在是特别令人关注的，因为这类物质在燃烧过程中转化为微晶硅沉积物，是造成阀门，圆筒壁和衬里上磨损或堵塞的原因。此外，润滑油中还含有硅化合物，导致油的频繁变化。因此，为LFG开发经济有效的硅氧烷去除技术势在必行，以增加将其用作燃料的可行性。近年来，越来越多的重要性归因于去除LFG和沼气的硅氧烷，其中尝试了几种方法去除沼气中的硅氧烷，包括固体吸附和液体吸收。在研究中，评估了各种固体吸附材料和液体吸收溶液的硅氧烷消除效率，发现活性炭吸附是商业操作中使用最广泛的方法。已经进行了研究以研究不同类型的活性炭的硅氧烷吸附特性。为了选择合适的活性炭从LFG中去除硅氧烷，一些研究试图发现关键的纹理特征。

活性炭决定其硅氧烷吸附能力。具有较高BET表面积，孔体积和pH值的活性炭表现出较高的硅氧烷(D4)吸附能力。活性炭的表面化学还负责其吸附性能。活性炭表面还存在除碳以外的原子，它们以各种形式存在以确定活性炭的表面化学性质。表面官能团的性质和浓度可以通过合适的热处理或化学处理来改变。用酸处理的活性炭不仅可以降低矿物质含量，还可以改变表面积和孔隙率。在气相或液相中的氧化可以增加活性炭表面氧基团的浓度，而在惰性气氛下加热可以选择性地去除这些官能团中的一些，活性炭在惰性气氛中进行高温热处理后可以获得碱性特性。对于研究活性炭孔结构和表面化学对硅氧烷吸附的影响，并由此开发活性炭特性的简单描述符，其便于选择合适的活性炭用于从LFG去除硅氧烷。第二个目标是针对特定的活性炭提出适当的改性方法以改善其硅氧烷吸附能力。

图1.硅氧烷吸附实验的实验装置。

将约0.5g的每种样品加入到100mL锥形瓶中，其分别含有50mL的下列0.05M水溶液：HCl，NaHCO3，Na2CO3和NaOH。密封，混合物在25℃振荡24小时。用0.05M NaOH或HCl水溶液滴定20mL上清液的等分试样。通过用NaHCO3，Na2CO3和NaOH溶液的吸附中和分别测定活性炭表面上的酸性基团，羧酸(eCOOH)，内酯(eC)O)和酚(eOH)基团的浓度。用0.05M HCl的吸附中和计算碱性基团的浓度。吸附实验在本研究中选择含有CO2和CH4(50/50，v/v)的气体混合物来模拟LFG并选择D4用于硅氧烷吸附测试。原始和修改活性炭的D4吸附能力进行了测试。图1所示的装置用于硅氧烷吸附实验。计量气流(流1)通过回火硅氧烷的表面并被另一气流稀释。因此产生了包含硅氧烷的模拟LFG。清扫气体(流量1)和稀释气体(流量2)均由CO2和CH4(50/50，v/v)制备。将模拟的LFG引导通过填充有约1.0g活性炭的吸附管(4cm长度〜0.75cm内径)，然后鼓泡进充满20mL十二烷的气体洗涤瓶中。吸收溶液每小时采样一次，并通过气相色谱仪用氢火焰离子化检测器进行分析以确定其中的硅氧烷浓度，并计算出此期间出水中的D4量。一旦出水量超过进料气中硅氧烷浓度的5%，就开始计算活性炭的吸附容量(吸附硅氧烷的重量/活性炭的重量)。

图2.碱性基团浓度与碱性活性炭的硅氧烷吸附容量之间的关系。

活性炭酸性和碱性对D4吸附的影响从D4吸附实验的结果看，经不同处理后，活性炭的D4吸附容量或多或少地变化。当活性炭仅用HCl处理时，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导致D4吸附容量的提高。原始和大部分改性活性炭在BET表面积和有利孔隙(孔隙宽度为1.7e3的孔隙)之间的差异。0 nm)对D4吸附没有显着影响，因此酸性和碱性性质对硅氧烷吸附起重要作用。新开发的活性炭在不同的改性程序后可能会接近评估硅氧烷吸附的表面化学效应，而与表面结构结构和孔径效应无关。原始活性炭表现出碱性。NH3·H2O和热处理都进一步提高了碱性基团的浓度。图2描绘了碱性基团浓度与碱性活性炭的D4吸附容量之间的相关性。从图3可以看出，碱性活性炭的碱性基团浓度与其D4吸附容量正相关。对于两步HCl-热改性的酸性活性炭，也观察到这种规律性。因此，可以得出结论，活性炭表面上的碱性基团对于硅氧烷吸附是期望的。人们一致认为活性炭的碱性特征主要归因于稠合多芳香片上的离域p电子。在N2气氛下的热处理可以去除一些酸性基团和含氧官能团，这些官能团通过吸引聚合芳香族片上的p电子并使其定位，从而降低活性炭的碱度。因此，通过热处理去除氧气使得活性炭表面不仅更加碱性，而且还具有更小的极性，这是从LFG吸附硅氧烷所需的。除了离域的p电子之外，一部分碱性特征与表面上的一些碱性基团如色烯和吡喃酮型结构相关。由于NH3·H2O是一种弱碱，根据Boehm滴定的结果，观察到在NH3·H2O处理后，不仅一些酸性基团被中和，而且在表面上形成了一些碱性基团，从而导致以适度增加碱度。结果，D4吸附容量得到改善。酸性基团对D4吸附能力的影响HCl处理活性炭导致D4吸附能力降低。可以认为D4吸附能力的降低可能归因于羧基的浓度过高。换句话说，活性炭表面上的羧基对于硅氧烷吸附是不合需要的。至于内酯基团，它们对硅氧烷吸附的影响不能仅由本研究中获得的数据确定。然而，在这项研究中应用的所有修改方法都使得内酯基团的变化趋势相同。

包括碱处理，酸处理和热处理等方法处理活性炭，随后生成具有不同表面结构和化学性质的交流电。从交流特性和硅氧烷吸附能力之间的观察关系可以得出以下结论：即活性炭表面上的窄介孔对于来自LFG的硅氧烷吸附更加期望。活性炭的碱性通常与其疏水性有关，被发现有利于硅氧烷的吸附。在活性炭表面的酸性基团中，发现羧基对硅氧烷吸附有严重不利影响，而酚类基团有利于硅氧烷吸附。内酯基团对硅氧烷吸附的影响不能仅通过本研究中获得的数据来确定。本研究中使用的大多数改性方法并未导致BET表面积和总孔隙的巨大变。但是经过两步改性后，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。改性适度提高了活性炭碱度，并在一定程度上去除了不需要的羧基，从而提高了活性炭的硅氧烷吸附能力。HCl处理明显提高了羧基，内酯基和酚基等酸性基团的浓度，并降低了活性炭的碱性基团浓度。增加的羧基导致活性炭对硅氧烷的吸附能力大大降低。当HCl处理的活性炭在N2气氛下通过加热进一步改性时，增加的羧酸基团被除去，而增加的酚基团的浓度没有很大改变，并且碱性基团的浓度增加。结果，两步改良活性炭的硅氧烷吸附容量得到改善。