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石脑油中的氯化物主要是氯仿、1,2-二氯乙烷及四氯化碳等,其中氯仿含量最多,1,2-二氯乙烷次之。
(2)在100~300℃的温度范围内,活性炭对单组分氯化物的脱除效果均随温度的升高而趋好,但对4种氯化物的脱除效率存在一定差异,对氯仿的脱除效果最好,脱除率最高可达90.6%,其次是四氯化碳和二氯乙烷,脱除率都超过80%,二氯甲烷的脱除效果最差。
(3)液空速对单组分氯化物的脱除效果有影响,当液空速为3h-1和5h-1时,活性炭对各组分氯化物的脱除率相差不大,但当液空速为7h-1时,脱除效果变差,特别是二氯甲烷和二氯乙烷。
对单组分氯化物的脱除,温度300℃,液空速5h-1是比较合适的工艺条件。
(4)温度是影响活性炭吸附脱除济南炼油厂石脑油中氯化物的主要因素,在100~300℃的温度范围内,随着温度的上升,活性炭对石脑油中氯化物的脱除效果提高。
在液空速为5h-1,温度为300℃时,活性炭对石脑油中氯化物的脱除效果最佳,脱除率达到了89.8%,石脑油中氯化物的残留量为4.4mg/L,满足了工业生产中油品氯含量的工艺指标要求。
二、
李敬岩,南国枝,范维玉,等.改性活性炭对石脑油中有机氯的吸附性能研究[J].石油炼制与化工,2009,40(6):
61-64
中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室
采用硝酸和双氧水对活性炭进行氧化改性,研究改性活性炭对石脑油中氯化物的吸附性能。
活性炭的表面改性
由于石脑油中有机氯化物属于弱极性物质,易于被酸性官能团吸附,所以采用硝酸、双氧水氧化的方法对活性炭分别进行改性。
硝酸改性:
配置质量分数为5%,10%,20%,50%的硝酸溶液,按10mL硝酸溶液∶1g活性炭的比例将活性炭和硝酸置于三口烧瓶中,在80℃下回流搅拌12h,将过滤剩余硝酸溶液后的活性炭置于真空干燥箱中于120℃下分解残余硝酸12h,放干燥器中冷却备用。
柱状活性炭按使用硝酸浓度由小到大依次编号为ACZ-1,ACZ-2,ACZ-3,ACZ-4。
双氧水改性:
配制质量分数分别为5%,15%,30%的双氧水溶液,按10mL双氧水∶1g活性炭的比例将活性炭和双氧水置于1000mL烧杯中于阴凉处放置24h,将过滤剩余双氧水的活性炭置于真空干燥箱中在120℃下分解残余双氧水12h,放干燥器中冷却备用。
柱状活性炭按使用双氧水浓度由小到大依次编号为ACZ-5,ACZ-6,ACZ-7。
活性炭的表征
活性炭的表面酸性官能团数量采用Boehm滴定实验确定,表面官能团的种类通过FT-IR确定,采用BET方法分析其物理结构。
Boehm滴定法是根据不同强度的碱与酸性表面氧化物反应的可能性对氧化物进行定性与定量分析。
一般认为,NaHCO3仅中和羧基,Na2CO3可中和羧基和内酯基,NaOH可中和羧基、内酯基和酚羟基。
根据碱消耗量计算相应表面基团的数量。
Boehm滴定操作方法:
取三份2.0g活性炭,分别加入100.0mL约0.05mol/L的NaOH溶液、Na2CO3溶液、NaHCO3溶液,磁力搅拌24h后用滤纸过滤。
弃去初滤液5~10mL后,精确量取滤液10.00mL,用约0.05mol/L的HCl溶液滴定,测定出试样与NaOH,Na2CO3,NaHCO3,HCl反应的物质的量,即为表面酸性官能团和表面碱性官能团的数量。
采用Nicolet公司生产的NexusTM型FT-IR红外光谱仪,使用MCT-A检测器(液氮冷却)进行漫反射测定,记录4000~2000cm-1之间的谱图,分辨率为4cm-1,波数范围4000~500cm-1,m(AC)∶m(KBr)=1∶400,总质量为200mg。
BET等温吸脱附分析:
用高纯氮作为吸附介质,以液氮为冷阱,依据静态低温吸附容量法进行有关结构参数的测定。
根据等温下N2在活性炭表面的吸附量随压力的变化特征,做出该吸附剂的吸附-脱附等温线。
通过BET模型得到各样品的比表面积、微孔孔径、孔体积。
所用仪器为Micrometrics公司生产的ASAP2010物理吸附仪。
活性炭表面结构
FT-IR谱波谱分析可知,硝酸和双氧水改性的活性炭官能团主要有:
醛或酮(1730cm-1)、酯(1760cm-1)、酸酐或羧酸(1860~1750cm-1);
酚(3500~3300cm-1、1260cm-1)、胺(3500~3300cm-1);
芳环(1630cm-1)、腈(2345cm-1)。
活性炭孔道结构
利用低温氮气物理吸附仪测定10%硝酸改性活性炭和5%双氧水改性活性炭样品的氮气吸附-脱附等温线,结果见图3。
两种样品的氮气吸附-脱附等温线属于典型的Ⅰ型等温线,在中高相对压力阶段,具有滞后回环,说明活性炭以微孔结构为主,含有少量的由距离较近的片状或层状结构的平行板构成的狭缝型中孔。
5%双氧水处理的活性炭(ACZ-5)的比表面积、微孔孔体积明显增加,孔径略有减小。
其原因可能是由于过氧化氢的量较少,在反应过程中,只能用于打开一些原先封闭的孔,使得比表面积和孔体积增加。
虽然过氧化氢具有氧化性,然而由于其浓度较低,不具有太强的氧化能力,只能在活性炭表面进行反应,引入氧原子,生成表面官能团,使得孔径稍微变小,不会导致活性炭孔壁的坍塌。
10%硝酸改性活性炭(ACZ-2)的比表面积增大,微孔孔体积降低,孔径变大。
这是因为在孔口生成了官能团,堵死一部分小孔,同时由于硝酸的强氧化性从一定程度上破坏了微孔结构造成孔径变大并打开一些原先封闭的孔使得比表面积增加。
硝酸质量分数对活性炭表面酸性基团的影响
由图4可见,随着硝酸质量分数的提高,羧基和内酯基的含量显著增加且羧基的含量高于内酯基,用质量分数为10%~50%的硝酸氧化后,羧基含量比用5%硝酸氧化后增加了6~10倍,内酯基增加了5~8倍。
随着硝酸质量分数的增加,酚羟基含量与羧基和内酯基相比增加不多,且在硝酸质量分数大于20%后呈下降趋势,这可能是极性最弱的酚羟基基团对硝酸含量的不敏感造成的。
羧基这种极性较强的酸性官能团的增加,可以提高活性炭对极性物质的吸附能力,对吸附分离过程起到积极作用。
双氧水质量分数对活性炭表面酸性基团的影响
双氧水质量分数对活性炭表面酸性官能团(羧基、内酯基、酚羟基)含量的影响见表2。
从表2可以看出,表面酸性官能团数量随着双氧水质量分数的增加并不呈现线性变化,经过15%和30%双氧水改性后活性炭(ACZ-6和ACZ-7)表面羧基数量大体相当,内酯基有少量增加而酚羟基反而减少。
双氧水是一种较弱的氧化剂,氧化条件缓和,经硝酸氧化后引入的羧基远比经双氧水氧化所引入的要多。
但是活性炭经过剧烈的氧化过程,其孔道结构会被破坏,微孔扩大转变为中孔和大孔导致比表面积降低,所以即使经双氧水氧化不能引入较多官能团但仍不失一种很好的改性方法。
改性活性炭对有机氯化物吸附性能的影响
由表3可以得到,随着温度的升高,有机氯的脱除率呈上升趋势,350℃下,10%硝酸改性活性炭(ACZ-2)对有机氯的吸附脱除率为85.7%,5%双氧水改性活性炭(ACZ-5)对有机氯的吸附脱除率为96.6%。
说明高温下有助于增强改性活性炭的吸附效果。
同一温度下双氧水改性活性炭比硝酸改性活性炭有更好的脱氯效果。
一般认为,活性炭表面氧化改性增加了极性有机物和活性炭表面之间的结合能。
石脑油中的有
机氯化物主要为二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、1,2-二氯乙烷,对于这些弱极性有机物来说,吸附作用力主要为酸性含氧官能团和极性有机物之间的氢键作用。
不同改性活性炭样品对石脑油中的有机氯化物的脱除效果随温度的升高均有所提高,这是由于升温有利于化学吸附过程。
另外,随着硝酸浓度的升高,大量增加了表面官能团的数量,但同时强烈的氧化会破坏活性炭的微孔结构,故化学吸附量增加的同时物理吸附量减小,从四个样品的整体脱除效果来看并未取得较高脱除率。
同样,高浓度的双氧水改性也会破坏活性炭的微孔结构。
低浓度的双氧水氧化虽然引入的酸性官能团较少,但对活性炭结构的破坏较少,化学和物理吸附的综合作用仍然能得到很高的脱除率。
三、
夏启斌,黄思思,肖利民.金属离子改性活性炭对二氯甲烷/三氯甲烷吸附性能的影响[J].功能材料,2009,40(11):
1911-1914
华南理工大学化学与化工学院,传热强化与过程节能教育部重点实验室
活性炭作为目前广泛使用的多功能吸附材料,具有高比表面积、发达的孔隙结构和丰富的表面化学基团等优点。
活性炭吸附性能主要由其特殊的表面结构特征和表面化学特性所决定。
近些年来,人们力图通过物理法、化学法以及物理化学联合等方法处理对活性炭进行表面改性,以改善其对吸附质的吸附选择性和吸附容量
负载金属改性法是利用活性炭对金属离子的还原性和吸附性,使金属离子先在其表面上吸附,并通过金属离子或金属对被吸附质的较强结合力,增加活性炭对被吸附质的吸附性能。
内容:
浸渍法制备了4种金属离子改性的活性炭,测定了三氯甲烷和二氯甲烷在改性活性炭上的吸附透过曲线,并据此评价改性前后的活性炭对三氯甲烷和二氯甲烷的吸附性能,应用软硬酸碱理论对吸附性能差异的原因进行分析解释,为研制针对甲烷氯化物有机污染物的新型吸附材料提供理论依据。
吸附剂的制备
活性炭在使用前先用蒸馏水清洗几次去除表面的无机杂质,然后用0.1mol/L的硝酸洗,水洗,接着用1mol/L氢氧化钠清洗去除活性炭表面的有机杂质,接着水洗到中性为止,然后在373K下烘12h。
称取10g预处理过的活性炭,分别配置150ml浓度为0.05mol/L的FeCl3、AgNO3、Mg(NO3)2、CuSO4溶液中,浸渍时间为24h,将过滤后的活性炭放在干燥箱中在393K温度下干燥12h,即制得负载不同金属离子的活性炭:
Fe(Ⅲ)-AC、Ag(Ⅰ)-AC、Cu(Ⅱ)-AC、Mg(Ⅱ)-AC。
所用试剂均为分析纯。
活性炭孔径结构的测定
以N2为分析气体,在77K下使用ASAP2010M快速比表面和孔径分布测定仪(Micromeritics,USA)测定系列改性活性炭的比表面积和孔结构等参数。
吸附透过曲线的测定
改性活性炭的孔结构和比表面积
快速比表面和孔径分布测定仪(MicromeriticsASAP2010M,USA)测定不同改性活性炭的比表面积和孔结构参数。
经金属盐浸渍改性后的活性炭,其比表面积、孔容、平均孔径均稍微小于原始活性炭,这是由于采用浸渍法在活性炭表面负载金属离子后,导致孔径变小和可能存在少部分微孔被堵塞,从而使活性炭表面积、总孔容和平均孔径均稍微变小。
且本文所制备的各种活性炭主要是以微孔为主。
三氯甲烷在不同金属负载活性炭上的吸附透过曲线
三氯甲烷在不同改性的
活性炭上的吸附透过曲线均为S形曲线,透过曲线斜率较大,说明传质区较短,吸附速率较快。
三氯甲烷在在不同金属负载改性活性炭上的吸附透过时间长短顺序依次为:
Fe(Ⅲ)-AC>
Mg(Ⅱ)-AC>
Cu(Ⅱ)-AC>
AC>
Ag(Ⅰ)-AC
根据吸附透过曲线计算出各
吸附剂对三氯甲烷的饱和吸附量如表2所示。
不同改性活性炭对三氯甲烷吸附能力强弱依次为:
Ag(Ⅰ)-AC。
二氯甲烷在不同金属负载活性炭上的吸附透过曲线
Ag(Ⅰ)-AC。
由此可见,经金属离子负载改性的活性炭,其对二氯甲烷的吸附能力存在较大差异。
根据吸附透过曲线计算出各吸附剂对三氯甲烷的饱和吸附量如表3所示。
不同改性活性炭对二氯甲烷吸附量大小依次为:
活性炭表面酸碱硬度对三氯甲烷和二氯甲烷的吸附性能影响
不同的金属负载对活性炭表面性质发生变化,导致其对三氯甲烷和二氯甲烷的吸附性能发生变化。
用软硬酸碱理论(HSAB)解释经过不同金属负载的活性炭对三氯甲烷和二氯甲烷的吸附性能差异的原因。
“软亲软,硬亲硬,软硬搭配不稳定”的基本原则,即对于Lewis酸碱,硬酸与硬碱结合更为稳定,而硬酸与软碱或软酸与硬碱结合不够稳定。
电负性χ>
3为硬碱,2.8<
χ<
3为交界碱,χ<
2.8为软碱。
由于三氯甲烷和二氯甲烷的电负性χ分别为4.548和3.881,均大于3.0。
绝对硬度分别为7.950和8.273,所以两者被归为Lewis硬碱。
Fe3+、Mg2+和Al3+被归为硬酸,Cu2+被归为交界酸,而Ag+被归为软酸。
当属于硬酸的Fe3+、Al3+和Mg2+负载在活性炭表面,将增强活性炭表面的局部硬酸性,由于三氯甲烷和二氯甲烷属于硬碱,根据HSAB理论“硬亲硬”原则,表面负载硬酸类金属离子的活性炭对属于硬碱类物质三氯甲烷和二氯甲烷的吸附能力加强,表现出对三氯甲烷和二氯甲烷较高的吸附容量。
;
Ag+属于软酸,它的负载局部增强了活性炭表面的软酸性,降低了其对属于硬碱类物质三氯甲烷和二氯甲烷的吸附能力,因而表现出较低的吸附容量。
:
Mg2+>
Fe3+,但经它们改性后
的活性炭对三氯甲烷和二氯甲烷的吸附能力由强到弱的顺序均表现为:
Fe(Ⅲ)-AC>
Mg(Ⅱ)-AC。
其中,Fe3+绝对硬度最低,但是经它改性后的活性炭吸附性能最好,这说明软硬酸碱理论(HSAB)仍未能完全用于定量分析和解释酸碱物质间的相互作用,即它仍未能用于解释同属硬酸的物质,仅依据各物质的硬度就能判别其对某一硬碱物质作用强弱,可能还存在其它因素影响着酸碱对的相互作用。
因此,负载金属离子
的绝对硬度对脱附活化能的影响仍有待于进行进一步
的深入研究。
武本成,赵向苗,傅荟霖.石脑油中微量氯化物的吸附脱除研究[J].石油炼制与化工,2013,44(4):
51-54
中国石油大学(北京)化学工程学院
石脑油中的氯化物主要为有机氯化物,常以氯代烷烃、氯代芳烃等形式存在,由于其几乎不溶于水且通常具有较强的极性,因此利用吸附剂自身化学结构所形成的吸附性能对石脑油中的氯化物进行吸附脱除是主要的研究方向。
吸附剂再生方法
首先,利用过滤法将吸附剂从石脑油中分离出来,放入110℃真空干燥箱中干燥1h,目的是烘去吸附在吸附剂表面上的石脑油;
然后,将烘干的吸附剂装入坩埚中,放入500℃马福炉进行高温再生2h,以除去残留于吸附剂孔道内的各种被吸附组分;
最后,将吸附剂自然冷却,密封后放入干燥器中备用。
石脑油中氯化物的存在形式
使用KY-200型微库仑滴定仪测得石脑油样品的氯含量为17.026mg/L,而利用RPP-200C型盐含量测定仪未检测出氯离子。
石脑油中的氯化物全部为有机氯化物,不含无机氯化物。
吸附剂的筛选
吸附温度20℃,吸附时间2h,剂油质量比1∶10。
粒径为20~40目的不同类型吸附剂在该操作条件下对石脑油中氯化物的吸附脱除效果。
在本实验条件下,利用N型及P型吸附剂可将石脑油中氯含量降低到3mg/L左右,脱氯率达80%以上;
A型分子筛对石脑油中氯化物的吸附脱除效果也较好,脱氯率接近70%,但其市售价格较为昂贵,难以大规模工业化应用;
而活性Al2O3、活性炭及大孔硅胶的脱氯率均不足50%,对石脑油中氯化物的吸附脱除效果不够理想。
因此确定N型及P型吸附剂作为脱除石脑油中氯化物的适宜吸附剂。
N型及P型吸附剂的表征
吸附剂的比表面积、孔体积、孔径对其吸附性能影响显著。
利用N2吸附-脱附表征方法测定了N型吸附剂及P型吸附剂的比表面积、孔体积及平均孔径,结果如表1所示。
由表1中可知,两种吸附剂的孔结构相差较大,与P型吸附剂相比,N型吸附剂因平均孔径较小而具有更大的比表面积和孔体积。
吸附剂配比对石脑油中氯化物脱除效果的影响
采用的吸附剂质量配比m(N)∶m(P)分别为0∶1,1∶2,1∶1,2∶1,1∶0;
实验操作条件:
配比不同的粒径20~40目吸附剂在上述实验条件下对石脑油中氯化物的吸附脱氯效果相比于纯N型吸附剂及纯P型吸附剂,将两种吸附剂按一定比例复配后,对氯化物的吸附脱除效果在一定程度上得到改善,其原因可能为:
两种吸附剂因孔道结构存在差异而对石脑油中不同氯化物的吸附选择性不同,使复配吸附剂吸附氯化物的范围和程度有所扩展,进而使脱氯率提高。
当吸附剂配比m(N)∶m(P)=2∶1时,对石脑油中氯化物具有较好的脱除效果,脱氯率达到88.51%。
因此,适宜的吸附剂配比选定为m(N)∶m(P)=2∶1。
剂油质量比对石脑油中氯化物脱除效果的影响
在吸附温度为20℃、吸附时间为2h的操作条件下,在固定质量石脑油中分别加入不同
质量20~40目的m(N)∶m(P)=2∶1的吸附剂,考察剂油质量比对石脑油中氯化物脱除效果的影响。
随着剂油质量比由1∶40增大到1∶5,吸附剂对石脑油中氯化物的脱除率逐渐增加,其中当剂油质量比由1∶40增大到1∶10时,氯化物脱除率明显升高,由60.90%增加到88.51%;
继续增大剂油质量比,则脱氯率增幅不大。
考虑到过高的剂油质量比会造成单位质量吸附剂的吸附能力下降,且会降低油品的收率,因此,适宜剂油质量比选定为1∶10。
吸附时间对石脑油中氯化物脱除效果的影响
采用20~40目的m(N)∶m(P)=2∶1的吸附剂,在剂油质量比为1∶10、吸附温度为20℃的操作条件下进行静态吸附实验,考察吸附时间对石脑油中氯化物脱除效果的影响。
在吸附初始阶段,吸附剂表面处于未吸附状态,有效吸附位非常充足,对石脑油中氯化物的吸附脱除速率较快,当吸附时间达到40min时,脱氯率已超过80%。
随着吸附过程的
进行,吸附位逐渐被饱和,此时吸附速率主要是由氯化物从外部向内部扩散的速率所控制,导致吸附速率明显变慢,吸附时间达到2h时,基本达到吸附平衡,即使再延长吸附时间,脱氯率也几乎再增大。
因此,确定适宜的吸附时间为2h。
吸附温度对石脑油中氯化物脱除效果的影响
采用20~40目的m(N)∶m(P)=2∶1的吸附剂,在剂油质量比为1∶10、吸附时间为2h的操作条件下考察吸附温度对石脑油中氯化物脱除效果的影响。
在本实验选定的温度范内,石脑油中氯化物的脱除效果随温度增加有变差的趋势,可初步推测吸附剂对石脑油中氯化物的吸附以物理吸附为主。
当吸附温度为10℃时,石脑油中氯含量由17.026mg/L降至1.652mg/L,脱氯率高达90.03%,略高于其它温度时的脱氯率,取得了较好的脱氯效果。
由于脱氯率随温度变化并不显著,若考虑减少操作成本,可选择吸附处理过程在常温下进行。
吸附剂的再生
N型及P型吸附剂的再生性能优良,在500℃时焙烧可有效恢复其吸附脱氯性能,再生吸
附剂与新鲜吸附剂的吸附脱氯性能基本持平。
四、
李瑞丽,张平,吕本震.直馏石脑油非加氢吸附脱氯的研究[J].石油化工,2015,44(4):
477-482
中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室
本工作以ZSM-5分子筛和γ-Al2O3为载体,利用等体积浸渍法负载CuO和MgO活性组分,制得吸附剂;
利用吸附剂对直馏石脑油进行吸附脱氯研究,确定了最佳吸附条件,考察
了吸附剂对直馏石脑油及其各窄馏分的吸附脱氯效果。
首先通过实验确定载体的饱和吸水率,ZSM-5分子筛和γ-Al2O3的饱和吸水率分别为5.76mL/g和4mL/g。
采用等体积浸渍法制备吸附剂:
称取1.812g三水硝酸铜溶解于一定量的去离子水中,搅拌使其溶解,然后加入一定量的ZSM-5分子筛或γ-Al2O3,搅拌均匀,浸渍2h后在加热套上蒸发水分,待成黏稠状时,转移到坩埚中在100℃下烘干2h,然后在马弗炉中于550℃下焙烧6h,研磨成粉末,再在150℃下烘烧4h,制得一定负载量的CuO/ZSM-5分子筛或CuO/γ-Al2O3吸附剂;
称取3.840g六水硝酸镁,采用相同的方法制备MgO/ZSM-5和MgO/γ-Al2O3吸附剂。
吸附剂的表征
采用低温N2吸附-脱附法,在-196℃下,以N2为吸附剂进行全自动测定,分析试样的比表面积、孔体积和孔分布,测定前试样在300℃下净化5h。
采用XRD方法对试样进行物相分析,CuKα射线,管电压和管电流分别为40kV和40mA,扫描范围5°
~80°
。
低温N2吸附-脱附表征结果
γ-Al2O3负载CuO后,比表面积明显减小,这是由于CuO占据了一定的表面积,使比表面积减小;
但负载CuO后孔体积和平均孔径增大,且CuO中的Cu具有强配位作用,与有机氯化物能形成强的配位化合物,有利于氯化物的吸附脱除。
CuO/γ-Al2O3的吸附量为237.54cm3/g,γ-Al2O3的吸附量为163.03cm3/g,负载CuO后吸附量明显增大。
XRD表征结果
Cu
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