废触媒制备活性炭负载氧化锌的结构及其空气净化性能.pdf

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废触媒制备活性炭负载氧化锌的结构及其空气净化性能1 废触媒制备活性炭负载氧化锌的结构及其空气净化性能2 废触媒制备活性炭负载氧化锌的结构及其空气净化性能3 废触媒制备活性炭负载氧化锌的结构及其空气净化性能4
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废触媒制备活性炭负载氧化锌的结构及其空气净化性能1废触媒制备活性炭负载氧化锌的结构及其空气净化性能TheStructureofZnO/ACPreparedfromSpentCatalystandItsPurificationPropertiesforAir钱天才,周烈兴。,牟雷(1昆明理工大学分析测试研究中心,昆明650093;2昆明理工大学材料与冶金工程学院,昆明650093)——QIANTiancai,ZHOULiexing,MOULei(1ResearchCenterforAnalysisandMeasurement,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650093,China;2FacultyofMaterialsandMetallurgicalEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650093,China)摘要:利用负载醋酸锌的废触媒为原料,用微波处理制成活性炭负载氧化锌的复合材料。研究了复合材料对甲醛和TVOC气体的降解性能,运用现代分析仪器表征了材料的微观结构和表面特性,结果表明:该复合材料具有发达的孔隙结构,对空气中的有机挥发物有较高吸附容量,负载的氧化锌呈六方结构,对甲醛具有催化降解作用。关键词:活性炭;负载氧化锌;空气净化;甲醛;TVOC中图分类号:TB332文献标识码:A——文章编号:10014381(2010)03~000103Abstract:Thecompositematerial,supportedZnO/activatedcarbon,werepreparedfromspentcata-—lystsupportedzincacetatebymicrowaveheating.Theadsorptionandcatalyticpropertyofthemateri—alhavebeenstudiedforformaldehydeandTVOC,andthemicroscopicstructuralandsurfaceproper—tiesofthemateria1wereanalyzedbymodernanalysisinstruments.Theresultsshowthatthecompositematerialhasdevelopedporestructureandthenhigheradsorptioncapacityforthevolatileorganiccompoundsinair,andthesupportedzincoxidetobesubmit6squarestructureshashighercatalyticpropertyfortheformaldehydeinair.Keywords:activatedcarbon;supportedZnO;gaspurification;formaldehyde;TVOC活性炭具有发达的孔隙结构,能有效地吸附空气中有害气体,而且价格低廉,制备工艺简单,作为吸附剂在环境空气净化领域得到广泛研究u]。Zn0作为无机催化剂,对空气中的有害气体也有降解作用,具有稳定的性能,因此也受到关注_5]。但是进一步研究发现,活性炭的孔结构对有害气体的吸附具有敏感的选择性,Zn0的降解范围也有一定的局限性,因此人们选择了不同的原料和制备工艺来调制活性炭的孔隙大小[6和氧化锌的晶体结构。还有文献报道,用浸渍法将zno,TiO。和MnO等负载到活性炭中以提高对材料对空气中有害气体的综合净化效果[]。过量溶液浸渍法制备的活性炭负载醋酸锌催化剂是乙炔法生产醋酸乙烯最重要的催化剂,每年都要产生失去了催化作用的废触媒数千吨,本项目利用负载醋酸锌的废触媒为原料,通过微波加热处理制备出一种活性炭负载氧化锌的新型复合材料。经过处理的样品,废活性炭被再活化,醋酸锌转化为氧化锌,同时氧化锌均匀负载到活性炭孑L隙中,充分发挥了两种物质的优良特性,从而具有对空气的综合净化作用。1实验过程1.1样品制备和净化实验取某化工厂的废触媒,经过分析主要成分为碳和锌,C:Zn为92:8。通过筛分后选取直径为1~1.5mm的颗粒作为实验原料,称取三份置于坩埚内。将试料于微波炉中以不同的时间加热、焙烧,然后加蒸汽活化处理,制成样品Z01,Z02,ZO3。处理工艺如表1所示。利用样品对甲醛和(TVOC)总挥发性有机化合物2材料工程/2010年3期的降解率来表征活性炭负载氧化锌的空气净化性能。实验在北京林学院研制的1m。标准气候箱中进行。采用的TVOc含有空气中最常见的有害气体苯、甲苯、二甲苯、乙苯和苯乙烯。用微孔无纺布将样品Z01,Z02,Z03各包50g,分别置于气候箱体中,分别通人一定浓度的甲醛和TVOC气体,与箱内空气充分混匀。在温度为23℃、湿度为55%的恒温恒湿状态下。测出不同时刻甲醛和TVoC浓度的变化曲线,降解率由式(1)计算:r1一,、E一∑I_0旦×100%(1)L/0式中:E为实验气体降解率;C0为实验气体初始浓度;c。为实验气体结果浓度。表1样品的微波处理条件Table1Theconditions0fmicrowaveheatingforthecompositematerial1.2分析仪器采用D/MAX一2200粉末衍射仪表征样品的晶型和结构;采用PHY5500X射线光电子能谱仪对样品表面的化学状态进行表征;样品的表面形态通过XL30ESEM扫描电子显微镜观察。2实验结果与讨论2.1xRD和SEM表征根据XRD分析(图1),样品为无定型结构的活性炭与六方纤锌矿结构的Zn0晶体组成,Zno的晶胞常数n—O.3251nm,f—O.5216nm。与标准氧化锌(在PDF数据库中的氧化锌f—O.5207nm)相比,参数c增大了。28/(。)图1样品的XRD图谱Fig.1XRDpatternofsampIe。从衍射峰的强度可看出,样品Z01未经过焙烧直接在微波炉中加蒸汽活化处理,氧化锌数量很少。从图2的照片也可看出,只有少量白色的氧化锌分布在活性炭孔隙中,而样品Z02,z03经过较长时间焙烧后,由于碳的大量烧蚀,锌得到充分富积。氧化锌成分也大幅度提高。特别是样品Z03,白色的氧化锌基本覆盖了活性炭颗粒(如图3)。图2样品ZOl的SEM照片Fig.2SEMimage0fZ01sample图3样品Z03的SEM照片Fig.3SEMimageofZ03sample2.2表面状态通过X射线光电子能谱仪(XPS)对样品表面的化学状态和成分进行分析。图4和图5分别表示样品Z03的Zn。。和o,。的xPS图。可以看出,相对于标准氧化锌,Zn:。发生了化学位移;o。。的峰形展宽并且不对称,经过拟合得出三个峰的结合能分别为530.9,532ev和533.2eV。分别对应于Zno晶体的晶格氧、空气中的吸附氧和H。O中的羟基氧。晶格氧与锌的原子比为48.6%。与普通氧化锌相比晶体中氧离子缺少l_4%。2.3净化机理讨论从图6、图7的实验曲线中可看出,三种不同工艺制备的样品对甲醛和TVOC均有持续的降解作用,但是降解效果截然不同。样品Z01对TVOC的降解率超过99%,而样品Z03的降解率只有76%。对甲醛的降解作用刚好相反,样品Z03的降解率为94%,而样品ZOl的降解率只有64%。由此可以得出结论:对废触媒制备活性炭负载氧化锌的结构及其空气净化性能3图4样品Z03的0lXPS谱图Fig.4O1XPSpatternofZ03sample图5样品Z03的Zn2。XPS谱图Fig.5Zn2。XPSpatternofZ03sampleTVOC起降解作用的主要是活性炭;对甲醛起降解作用的主要是氧化锌。正如文献[4]中所讨论,由于微波具有从材料内部加热的特性,在活化处理过程中,可以降低物质活化需要克服的能垒,使废活性炭重新获得发达、均匀的微孔结构和大的比表面积,能够大容量地吸附空气中有害的VOCs气体;对甲醛的降解机理尚有待研究,按照文献[1O,11],当材料的表面能足够高时,就可能获得良好的催化活性。在微波场中加热的活性炭因为升温速度快,其中负载的醋酸锌迅速分解转化为氧化锌。综合XRD和XPS的分析结果,样品中的氧化锌由于在较短的时间内完成晶型转换,导致了晶体结构参数偏离标准值、晶格氧缺位、羟基氧(0H)的表面附集。可能正是这些异于常态的结构使材料表面活性增加,成为甲醛和其它有害气体分子的催化剂。3结论(1)利用过量醋酸锌溶液浸渍的活性炭废触媒,可以通过微波处理,制备成无定型结构的活性炭负载六方纤锌矿结构的ZnO的复合材料ZnO/AC。(2)这种复合材料将活性炭的吸附性能和氧化锌的催化性能组合在一起,其中活性炭主要对TVOC起图6样品对甲醛的降解曲线Fig.6Thecatalyticpropertycurvesofformaldehydeonthecompositematerial图7样品对TVOC的吸附曲线Fig.7TheadsorptionpropertycurvesofTVOConthecompositematerial降解作用;氧化锌主要对甲醛起降解作用。(3)通过调整活性炭和氧化锌的比例,可以使有机挥发物和甲醛的降解率分别提高到999/6和94。参考文献———[1]YuFengdong,LUOLingai,GEORGESGREVILLOT.AdsorptionisothermsofVOCsontoanactivatedcarbonmonolith:experimentalmeasurementandcorrelationwithdifferentmodels—口].JChemEngData,2002,47(3):467473.———EelZH0ULiexing,PENGJinhui,QIANTianeai,eta1.StudyOilcharacteristicsofactivatedcarbonspreparedbymicrowaveheating—anditsadsorpionpropertiesforvocsU].WorldJournalofEngi—neering,2008,5(4):870871.—r3]BALATHANIGAIMANIMS,SHIMWANGGEUN,LEE—MINJo0,eta1.Adsorptionisothermsofbenzeneandtolueneon—corngrainbasedcarbonmonolithat(303.15,313.15,and—323.15)K[J].JChemEngData,2008,53(3):732736.[43钱天才,周烈兴,王绍华.微波加热椰壳制备活性炭的表征及吸附—VOCs的研究[J].现代化工,2007,27(2):234236.[5]井立强,孙晓君,郑大方,等.ZnO超微粒子的量子尺寸效应和光—催化性能[J].哈尔滨工业大学学报,2001,33(3):344348.[6]张绍岩,丁士文,刘淑娟,等.均相沉淀法合成纳米ZnO及其光催—化性能研究fJ].化学学报,2002,60(7):12251229.(下转第65页)RTGG法制备(NaK)Bi。TiO。无铅压电织构陶瓷的研究653结论Z●U一iSinteringtemperature/Z●Ue\寸Sinleringtemperature/图10在不同烧温制备的NBTKBT织构陶瓷的压电系数(d33)(a)干法;(b)泣法valueoftexturedNBTKBTceramicssinteredatdifferenttemperatures(a)drymethod:(b)wetmethod(1)以片状BiT)为模板,采用干法和湿法两种流延工艺结合RTGG技术制备了(Na。。K。。)BiTiO。无铅压电织构陶瓷。(2)分别对比研究了两种工艺条件下获得织构陶瓷不同烧结温度时的相对密度、织构度、显微组织结构与电性能的变化规律。(3)(NaK。)BTio。织构陶瓷的烧成温度范围只有10~20 ̄C,其介电性能、压电性能呈现明显的各向异性,沿垂直于流延方向(c轴)织构陶瓷的—各种电学性能均明显优于平行于流延方向(ab面)的电学性能。℃(4)两种流延方法在lll50烧结所得的(Na。。Ks)BiTiO。织构陶瓷在显微组织结构和电性能方面均表现出最强的各向异性;通过电性能测试最终获得最佳性能参数,即该织构陶瓷的压电常数d。。一134pC/N。[1]参考文献TAKEUCHIT,TANIT,SAIT()Y.Piezoelectricpropertiesof———bismuthlayerstructuredferroelectricceramicswithapreferredO。rientationprocessedbythereactivetemplatedgraingrowthmethod ̄J].JpnJApplPhys,1999,38:55j35556.[23杜红亮,李智敏,岗万城,等.(NaK。)NbO。基无铅压电陶瓷的—研究进展[J].无机材料学报,2006,21(6):12811291.[3][43[5][6][7][8]—DURANC,TURYK.Templatedgraingrowthoftexturedmul—lite/zirconiacompositesSjj.MaterialsLetters,2005,59:245249.—()GAWAToshio.Ferroelectricdomainstructuresinleadfreepie—zoelectricceramicscomposedofBilayerstructuredSrBi4Ti4O15lJ].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2004,24:1517一l52O.TAKEUCHIT,TANIT,SAIT()Y.Un1directionallvtexturedCaBi,T0l5ceramicsbythereactivetemplatedgraingrowthwith—anextrusion[J].JpnJApplPhys,2000,39:55775580.—JINGXuezheng,I1Yongxiang.Influenceofdifferenttemplates—onthetexturedBi05(NalKjTiOspiezoelectricceramicsby—thereactivetemplatedgraingrowthprocess[J].CeramicsInternationa1,2004,30:1889一l893.初宝进,李国荣,江向平,等.NaBi。5TiO3BaTiO系陶瓷压电—性及弛豫相变研究[j].无机材料学报,2000,l5(5):815818.LIZF,WANGCI,ZH()NGWI.DielectricrelaxorpropertiesoIK05Bio5TiO3ferroelectricspreparedbysolgelmethod[J].JournalofAppliedPhysics,2003,94:25482552.基金项目:陕西省科技厅自然科学基金(SJ08ZT04)—收稿日期:20080826;修订日期:2009112O作者简介:张昌松(1976),男,博士,主要从事压电陶瓷的研究,联系地址:陕西省西安市未央大学园区陕西科技大学机电学院(710021),—Email:zhangcs@SUSt.edu.cn∈∈米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米爿桨米米柴米米米米米米米柴米{I米米米米米米(上接第3页)[7]彭峰,ft1.-艳群.Ti()!光催化降解气相有机物的研究进展[J].化工—进展,2003.22(1):3942.8][9]10][11]占政荣,陈爱平.活性炭纳米二氧化钛复合光催化空气净化网的—研制EJ].华东理工大学学报,2000,26(4):367371.姜良艳,周仕学,王文超,等.活性炭负载锰氧化物用于吸附甲醛—[J].环境科学学报,2008,28(2):33734l_徐燕莉.表面活性剂的功能[M].北京:化学工业出版社,2000.顾惕人.表面化学[M].北京:科学出版社,1999.基金项目:教育部博士点基金(20050674009)——收稿日期:20090807;修订日期:20091220作者简介:钱天才(1954--),男,教授,从事新材料结构与性能研究,联系地址:云南省昆明市学府路253号昆明理工大学分析测试研究中心(650093),Email:qtc0213@l63.conl
陌南尘
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