有序介孔碳對低濃度氣相萘的吸附特性分析

孟苗苗，劉應(yīng)書.2，李子宜，姜理俊，楊雄.2，劉文海.2

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有序介孔碳對低濃度氣相萘的吸附特性分析

孟苗苗1，劉應(yīng)書1.2，李子宜1，姜理俊1，楊雄1.2，劉文海1.2

（1北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；2北京科技大學(xué)北京高校節(jié)能與環(huán)保工程研究中心，北京100083）

對3種常見有序介孔碳(OMCs)吸附脫除典型氣相多環(huán)芳烴——萘進行了研究。分別采用吸附等溫線模型（Langmuir、Freundlich、Sips）和恒定濃度波動力學(xué)模型對吸附等溫線和穿透曲進行擬合分析。采用程序升溫脫附法通過失重曲線分析了吸附劑的再生性能。結(jié)果表明：Langmuir模型和Sips模型能很好地描述低濃度氣相萘在OMCs上的靜態(tài)吸附行為（2> 99%），吸附量呈CMK-5 > CMK-3 > FDU-15排列。恒定濃度波動力學(xué)模型具有較高的擬合度，介孔促使3種吸附劑對萘分子具有較高的吸附擴散系數(shù)。具有微通孔結(jié)構(gòu)的CMK-5和FDU-15表現(xiàn)出更好的再生性能。綜合吸脫附動力學(xué)分析，CMK-5在3種吸附劑中表現(xiàn)出更好的應(yīng)用潛能。

吸附平衡；吸附動力學(xué)；有序介孔碳；多環(huán)芳烴；再生性能

引 言

多環(huán)芳烴是由兩個及以上苯環(huán)（或具有和苯環(huán)相同結(jié)構(gòu)的五元環(huán)）以稠環(huán)形式相連的有機化合物的總稱[1]，是一類環(huán)境中廣泛存在的具有致癌性和致畸性的持久性有機污染物，占所有致癌物質(zhì)的1/3以上[2-3]。隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，城市工業(yè)化程度不斷提高，石油、煤炭等化石燃料使用率逐漸上升，燃料的不完全燃燒已然成為環(huán)境中多環(huán)芳烴的主要來源[4-6]。萘作為兩苯環(huán)結(jié)構(gòu)，是一種典型多環(huán)芳烴，廣泛存在于大氣、水體、土壤和石油產(chǎn)品中，是工業(yè)煙氣的主要成分。對大氣中以及電廠燃煤鍋爐排放的多環(huán)芳烴進行檢測，結(jié)果表明[7-10]：低環(huán)PAHs（萘、菲、芘、蒽等）主要存在于氣相中，而高環(huán)PAHs（苯并芘、苯并熒蒽等）多吸附在顆粒物上，以固相形式存在。但是，國內(nèi)關(guān)于氣相萘凈化治理的研究報道較少，研究多集中于使用生物降解或液體吸附分離等方法處理土壤和水體中殘留的萘[11-14]。

吸附法具有去除效率高、能耗低、操作簡單、安全性高、成本低等優(yōu)勢，被認(rèn)為是控制氣相有機污染物排放的有效手段[15]。Mastral等[16-17]首次基于電廠燃煤煙氣中萘、菲、芘3種多環(huán)芳烴的污染問題，采用16種炭材料對其進行吸附凈化，結(jié)果表明：萘的吸附量大小與吸附劑微孔孔容和孔徑大小直接相關(guān)。Hu等[18]使用活性炭去除焦油模型化合物中的萘、苯酚、鄰甲苯酚和1-甲基萘，結(jié)果表明，活性炭在150℃時可以有效去除焦油中的萘。過往研究多以活性炭為吸附劑，雖然傳統(tǒng)的活性炭吸附量大，但是豐富的微孔結(jié)構(gòu)也使得其與吸附質(zhì)分子間的相互作用力較強，吸附勢較大，解吸溫度較高，再生困難，脫附峰值溫度約為520 K，脫附活化能約為98 kJ·mol-1[19]。尤其在吸附這類大分子有機物時易發(fā)生堵孔且傳質(zhì)速率低[20-21]。介孔吸附劑的出現(xiàn)為改善這些問題提供了行之有效的解決方案。

早在1999年，Ryoo等[22]就以MCM-48為模板，蔗糖為碳源，首次成功合成了一種有序介孔碳，并將其命名為CMK-1。隨后，又以SBA-15為模板劑，通過反向復(fù)制先后獲得了CMK-3和CMK-5兩種介孔碳材料，材料均很好地保留了SBA-15的納米結(jié)構(gòu)和有序性[23-24]。近年來，Zhao等[25-28]通過界面自組裝技術(shù)合成了18種以復(fù)旦大學(xué)命名的FDU系列介孔分子篩，發(fā)展了“酸堿對”匹配合成介孔材料的新路線。

目前，介孔分子篩吸附脫除小分子污染氣體的研究報道相對較多，而對大分子化合物（如多環(huán)芳烴）吸附的報道相對較少。Liu等[29-30]采用介孔硅和介孔碳材料分別對氣相萘、菲進行吸附脫除，結(jié)果表明：介孔碳吸附性能優(yōu)于介孔硅。楊權(quán)等[31]采用SBA-15、MCM-41對萘進行了吸附研究，發(fā)現(xiàn)具有微孔結(jié)構(gòu)的SBA-15吸附能力優(yōu)于MCM-41。為了進一步為介孔吸附劑在工業(yè)脫除PAHs提供更好的借鑒參考，本文重點針對介孔碳材料對氣相萘進行固定床吸附實驗，并通過BET、XRD等一系列手段對吸附劑結(jié)構(gòu)進行表征，以分析其對低濃度氣相萘的吸附特性。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

實驗中使用CMK-3、CMK-5、FDU-15三種OMCs吸附劑對萘進行吸附實驗。吸附劑購自淄博華通化學(xué)試劑有限公司。

萘（C10H8），分子量128，熔點80.5℃，沸點217.9℃，白色晶體，色譜純（≥99.7%，GC），購自Sigma-Aldrich（上海）貿(mào)易有限公司。

1.2 實驗裝置

采用Autosorb-1全自動比表面和孔徑分布分析儀（美國康塔儀器公司）對3種OMCs吸附劑樣品進行Ar（87 K）的吸-脫附實驗。樣品比表面積BET由BET（Brunauer-Emmett-Teller)方程計算相對壓力在0.05～0.30之間的等溫線數(shù)據(jù)求得，孔徑分布按NLDFT模型計算，總孔容以相對壓力（0）為0.99時的吸附量計算得到。采用Rigaku公司的D/MAX 2500/PV衍射儀對3種OMCs進行小角XRD表征測試，=0.1541 nm，0.5°< 2< 5°。

吸附實驗裝置如圖1所示，主要由氣相萘生成裝置、吸附固定床、FID-GC檢測裝置、管路保溫系統(tǒng)等組成。氣相萘是由萘晶體在石英管中升華而成的，通過改變低溫恒溫槽的水浴溫度（-10～60℃）來控制其進氣濃度。載氣（高純氦）攜帶氣相萘進入吸附試驗系統(tǒng)，流量為0.01 L·min-1。萘濃度通過FID法進行檢測。待管路吹掃干凈后，先將載有氣相萘的氣流通過吸附旁路，待FID檢測值穩(wěn)定后，使萘氣體通入吸附床層進行吸附實驗，并記錄實驗數(shù)值，床層溫度即吸附溫度為（125±0.1）℃。

吸附柱為內(nèi)徑3 mm，長12.5 cm的石英玻璃管，為保證一定床層長度以達到平推流且不拖長吸附時間的目的，柱內(nèi)混合裝填2～4 mg吸附劑與約1.0 g石英砂（149～178mm）的混合物，經(jīng)空白實驗驗證，惰性石英砂對萘的吸附量很小幾乎可以忽略不計。為避免萘在管路中凝結(jié)，在生成裝置出口至色譜儀進口之間的管路上面均包覆著加熱帶進行保溫，溫度高于萘生成溫度10～15℃。

吸附劑的平衡吸附量按式（1）計算

式中，0為OMCs對氣相萘的平衡吸附量，mg·mg-1；為氣體流量，m3·min-1；0為吸附實驗前進口氣相萘濃度，即水浴溫度下的氣相萘的飽和濃度，mg·m-3；f為穿透時間，min；C為時間時對應(yīng)的出口氣相萘的濃度，mg·m-3；OMCs為吸附劑的質(zhì)量，mg。

氣相萘的飽和蒸氣壓和飽和濃度可以通過式（2）、式（3）求得

(3)

式中，為生成氣相萘?xí)r的水浴溫度，K；0為溫度下的氣相萘的飽和蒸氣壓，Pa；、為參數(shù)常量，分別為13.549、-3722.5[32]；為理想氣體常數(shù)，8.314 J·mol-1·K-1；為萘的摩爾質(zhì)量，128 g·mol-1。

通過程序升溫脫附（TPD）獲取萘在OMCs上的脫附活化能。配制濃度為0.2 mol·L-1的萘的甲醇溶液15 ml，分別取適量OMCs浸泡于溶液中，在室溫下靜置12 h。然后，將溶液取出置于燒杯內(nèi)，在333 K下干燥2 h，得到負(fù)載萘的吸附劑樣品。每次實驗中取樣品(10±1)mg，分別在3種升溫速率（=8，16，20 K·min-1）下進行熱脫附實驗，并采用熱重分析儀（TGA，Q50，美國沃斯特公司）在線連續(xù)記錄樣品的質(zhì)量變化。

2 動力學(xué)模型

2.1 動態(tài)吸附模型

氣體在固定床上的吸附是一個非穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)的過程。氣固兩相中吸附質(zhì)的濃度是流體流入的時間以及在固定床中所處的位置的函數(shù)。固定床系統(tǒng)的氣相吸附多采用軸向擴散模型進行描述。結(jié)合研究的具體問題，對該模型進行以下假設(shè)：不考慮床層中的化學(xué)反應(yīng)，且床層溫度均勻、不隨時間變化；流體流動模型是理想平推流，忽略軸向反混。則質(zhì)量守恒程為

式中，為床層空隙率；為床層的軸向位置長度，m；為氣相萘濃度，mol·m-3；為流體的線速度，m·s-1；為固定床密度，kg·m-3；為吸附劑中萘的濃度，mol·kg-1。

固定床吸附系統(tǒng)中的傳質(zhì)過程可以由濃度波來描述。恒定圖式濃度波是指吸附床內(nèi)的傳質(zhì)區(qū)以一定的形狀移動，且形狀不隨時間和床層的位置而變化。本文研究的固定床吸附系統(tǒng)床層分布均勻，且吸附等溫線符合優(yōu)惠型等溫線，因此符合恒定圖式濃度波假設(shè)。

根據(jù)恒定圖式濃度波假設(shè)，傳質(zhì)區(qū)內(nèi)流動相的移動速度c為常數(shù)，固定相濃度可以表示為時間的特征函數(shù)=()，且萘在固定相和移動相中的濃度比為一定值，即

通過分析萘吸附過程中的傳質(zhì)特性，用LDF模型來描述傳質(zhì)速率

(6)

式中，*為對應(yīng)于吸附量的平衡濃度，mol·m-3；G為總傳質(zhì)系數(shù)，s-1。

在等溫條件下，吸附劑上的平衡濃度是流動相中吸附質(zhì)濃度的函數(shù)，故吸附等溫線方程可以表示為

=() (7)

經(jīng)推導(dǎo)得到基于恒定圖式濃度波假設(shè)的穿透曲線模型

式中，1/2為固定床出口處氣相萘濃度為0/2時的時刻，結(jié)合特定的吸附等溫線模型經(jīng)積分即可得相應(yīng)的穿透曲線方程。

假設(shè)吸附等溫線為Freundlich、Langmuir型，基于恒定圖式濃度波假設(shè)的穿透曲線預(yù)測模型可分別表示為

(10)

對于每個吸附對，其吸附動力學(xué)參數(shù)可通過穿透曲線模型對實驗值的擬合結(jié)果求得。其中，總傳質(zhì)系數(shù)G可以通過穿透曲線在=1/2處的切線斜率來表示：

Freundlich

Langmuir

(12)

為了更深入地了解吸附動力學(xué)影響因素，可以把總傳質(zhì)系數(shù)進一步分解為顆粒外表面的氣膜擴散系數(shù)f和顆粒內(nèi)擴散系數(shù)p來進行討論。f和p的計算方法參考文獻[33]。

總傳質(zhì)系數(shù)G與f和p之間的關(guān)系可以表示為

其中，為床層單位體積的傳質(zhì)區(qū)面積，=6(1-)/，m2·m-3。當(dāng)f和G確定后，即可得到p。

2.2 脫附動力學(xué)

通過熱重分析儀，可以得到熱失重（TG）曲線和DTG曲線。脫附程度可以用轉(zhuǎn)化率表示

式中，0為樣品初始質(zhì)量，m為時刻的樣品質(zhì)量，f為樣品脫附后的最終質(zhì)量。非等溫條件下的常用的動力學(xué)方程式為

(15)

式中，a為脫附活化能，kJ·mol-1；為升溫速率，K·min-1；為指前因子，min-1；為理想氣體常數(shù)，8.314 J·mol-1·K-1；為熱力學(xué)溫度，K。為了更好地評價OMCs的再生能力，采用Kissinger方程對脫附動力學(xué)參數(shù)進行估算

式中，p為熱失重速率最高點對應(yīng)的溫度，K。通過ln(/2p)-1/p曲線的斜率和截距即可獲得脫附活化能a和指前因子。

3 結(jié)果與討論

3.1 吸附劑的結(jié)構(gòu)表征

OMCs的小角XRD譜圖如圖2所示，由圖可知：CMK-5分別在（100）和（110）晶面出現(xiàn)了清晰的衍射峰，CMK-3和FDU-15分別在（100），（110）和（200）3個晶面出現(xiàn)了清晰的衍射峰。說明研究的3種OMCs均具有良好的二維六方有序孔道結(jié)構(gòu)。根據(jù)Bragg方程2100sin=（=1，=0.1541 nm），求得其晶面間距。具有p6mm空間群的OMCs的晶胞參數(shù)0=2100/，結(jié)果如表1所示。

OMCs的孔徑分布及Ar在87 K下的吸-脫附等溫線如圖3所示。由圖可知，Ar的吸-脫附等溫線符合BDDT分類的Ⅳ型等溫線。在相對壓力為0.4～0.7時，由于介孔中毛細管凝聚現(xiàn)象的存在，等溫線迅速上升，3種OMCs均出現(xiàn)吸附滯后環(huán)，說明屬于典型的介孔材料。但是，CMK-3和CMK-5毛細凝聚突變較FDU-15更為明顯。這說明，F(xiàn)DU-15介孔孔道均一性較差；而CMK-3和CMK-5具有非常均一的介孔結(jié)構(gòu)，介孔孔徑分布較集中，如圖2所示。3種OMCs的孔徑分布由NLDFT方法求得，結(jié)果如表1所示。

表1 介孔碳的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2 吸附平衡

采用Langmuir、Freundlich和Sips模型對萘在OMCs上的吸附等溫線數(shù)據(jù)進行了擬合，如圖4所示。由圖可知：萘在3種OMCs上的吸附等溫線均符合Ⅰ型等溫線特征，表明其為單分子層吸附且存在微孔填充效應(yīng)。等溫線擬合參數(shù)如表2所示，CMK-3、CMK-5、FDU-15對氣相萘的飽和吸附量分別為：1.207、1.735、1.130 mol·kg-1，呈現(xiàn)CMK-5> CMK-3 > FDU-15的順序。CMK-5較大的吸附量與其具有更豐富的微孔孔道有關(guān)，而微孔的存在使得吸附劑分子和吸附質(zhì)分子之間的相互作用力加強，吸附勢能升高，從而增大了CMK-5對萘的吸附容量。

表2同時表明，Langmuir和Sips模型能很好地描述萘在OMCs上的吸附行為（2均在0.99以上），二者擬合結(jié)果幾乎重合，而Freundlich模型擬合結(jié)果相對來說偏差較大，指數(shù)F的值大于1，表明吸附條件對吸附過程有利，容易發(fā)生吸附現(xiàn)象[34-35]；Sips模型擬合參數(shù)S表示吸附劑表面不均勻程度，CMK-3和CMK-5的S值均接近于1，說明這兩種吸附劑表面較趨于均勻表面，而FDU-15的S值明顯小于1，說明其表面不均勻性較高。這一結(jié)論正好驗證了前面的FDU-15中介孔分布均一性較差的表征結(jié)果。

3.3 吸附動力學(xué)

圖5為不同進氣濃度下，萘在OMCs上的穿透曲線實驗值及模型預(yù)測值，其擬合結(jié)果如表3所示。由圖5可知：吸附劑的穿透時間隨著進氣濃度的增加而減小，穿透曲線的斜率隨著進氣濃度的增加而增大。由表3可知，基于恒定圖式濃度波假設(shè)的穿透曲線模型能夠較好地預(yù)測萘在OMCs上的吸附穿透過程。隨著進氣濃度的增大，CMK-3和FDU-15上的穿透曲線模型擬合度降低，體現(xiàn)了由于萘分子間作用加劇而產(chǎn)生的較恒定濃度波假設(shè)的偏差；而在CMK-5上的穿透曲線模型的擬合度依舊較高，體現(xiàn)了其獨特的微-介孔多級結(jié)構(gòu)使高濃度下的萘分子在吸附過程中孔內(nèi)擴散均勻，吸附質(zhì)分子間作用影響較小。

表2 吸附等溫線模型擬合參數(shù)

結(jié)合穿透曲線和吸附等溫線的相關(guān)參數(shù)可得到不同初始濃度下的萘在OMCs上的動力學(xué)參數(shù)（G、f、p）如表4所示。由表4可以看出：f遠大于G和p，表明在吸附過程中，吸附劑的氣膜擴散對總傳質(zhì)的影響可以忽略，內(nèi)擴散為主要控速步驟。隨著吸附質(zhì)濃度的增加，CMK-3和CMK-5的p呈先增后減的趨勢，F(xiàn)DU-15則呈遞增趨勢，總體呈現(xiàn)FDU-15 > CMK-3 > CMK-5的次序。微孔增多使得內(nèi)擴散阻力增大，但隨著進氣濃度的增加，氣、固兩相間的濃度梯度增大，利于顆粒內(nèi)擴散。但進一步增大濃度，氣體分子較為密集，相互間作用顯著，增大了擴散阻力，從而使得CMK-3和CMK-5中顆粒內(nèi)擴散系數(shù)p逐漸減小。

表3 穿透曲線模型擬合結(jié)果

表4 萘在介孔碳上吸附的動力學(xué)參數(shù)

隨著進氣濃度的增加，3種OMCs中的總傳質(zhì)系數(shù)均呈遞減趨勢。這主要是因為低濃度范圍吸附時，OMCs吸附過程為微孔填充，0/0的值隨進氣濃度增大而增加，雖然p的值增大，但是0/0值的變化足以覆蓋p的變化對總傳質(zhì)速率造成的影響，因此總傳質(zhì)系數(shù)卻呈遞減趨勢。而對于CMK-3和CMK-5在所研究濃度范圍內(nèi)較高濃度區(qū)域出現(xiàn)p值遞減現(xiàn)象，進一步加快了總傳質(zhì)速率的遞減趨勢。在濃度較低（< 0.348 mol·L-1）時，3種吸附劑的總傳質(zhì)系數(shù)G幾乎相等。當(dāng)濃度增大到中間濃度（2.82 mol·L-1）時，3種吸附劑的總傳質(zhì)系數(shù)G按CMK-5 > CMK-3 > FDU-15的規(guī)律排列。但是，在進氣濃度繼續(xù)升高（7.21 mol·L-1）時，3種吸附劑的總傳質(zhì)系數(shù)卻表現(xiàn)出CMK-3 > FDU-15 > CMK-5的規(guī)律。這主要是因為CMK-5的介孔孔徑小于另外兩者，在進氣濃度過大時，吸附質(zhì)分子間的作用加劇且容易發(fā)生堵孔現(xiàn)象，使得傳質(zhì)阻力增大，從而導(dǎo)致傳質(zhì)系數(shù)減小。

3種吸附劑的孔結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示?；趧恿W(xué)分析可以看出CMK-5因其獨特的納米碳管陣列結(jié)構(gòu)使其具有雙級有序的孔道結(jié)構(gòu)（陣列群空間等價孔與碳管孔），可在中、低進氣濃度下對萘分子實現(xiàn)較高的吸附量及吸附速率，萘分子在有序孔道中擴散可通暢到達吸附位點，并進入碳管壁內(nèi)微孔。當(dāng)濃度較大時，由于分子間相互作用加劇，在孔徑較小的CMK-5可能會發(fā)生團簇堵塞，不利于吸附，而CMK-3較大的介孔主孔道及豐富的微孔結(jié)構(gòu)則利于該吸附的進行。FDU-15因其微孔較低且具備較寬的不均勻介孔分布，同時存在介孔之間的微孔貫聯(lián)[36]，在低濃度時，對萘具有較快的傳質(zhì)效率，但吸附量有限。

3.4 脫附動力學(xué)

圖7為萘在3種OMCs上不同升溫速率下的脫附速率曲線，相應(yīng)獲得的脫附動力學(xué)參數(shù)如表5所示?？梢钥闯觯?種OMCs樣品的p和a均小于傳統(tǒng)活性炭，表明介孔碳材料對萘具有更好的再生性能。3種OMCs的p隨著升溫速率的增大而增大，且呈CMK-5 CMK-5 > FDU-15排序。雖然CMK-3有效微孔（大于萘分子直徑0.66 nm）最少，但其a值最大，這主要與附著在CMK-3碳棒壁內(nèi)的微孔分布相關(guān)，其壁內(nèi)非貫通的無序微孔結(jié)構(gòu)不利于脫附傳質(zhì)[19]。而CMK-5和FDU-15因各自獨特的結(jié)構(gòu)（圖6），其微孔均存在貫通結(jié)構(gòu)，有利于萘吸附質(zhì)在無序微孔進而進入有序介孔中的脫附擴散。FDU-15的a較小，但p遠高于CMK-5，可以判斷雖然FDU-15具備利于萘分子表面脫附的微通孔結(jié)構(gòu)，但其介孔分布較廣，有序性卻遠不如CMK-5，使得宏觀上呈現(xiàn)較高的脫附溫度，而CMK-5具備的微通孔不僅有利于吸附還能促進脫附傳質(zhì)，同時其碳管空間陣列形成的有序介孔有利于萘的總體脫附傳質(zhì)，綜合呈現(xiàn)較佳的萘吸、脫附特性。綜合以上分析可以發(fā)現(xiàn)，微孔的存在形式以及與之匹配介孔的有序度，是決定萘在OMC材料上脫附性能是否優(yōu)越的關(guān)鍵因素。

表5 通過Kissinger方程估算的脫附動力學(xué)參數(shù)

4 結(jié) 論

（1）CMK-3、CMK-5和FDU-15具有微-介多級孔結(jié)構(gòu)，對萘吸附均具有微孔填充效應(yīng)；CMK-5微孔孔容最大，吸附容量最高。

（2）Langmuir和Sips吸附等溫線模型可以很好地描述萘在OMCs上的靜態(tài)吸附行為。

（3）介孔使得3種吸附劑對萘分子具有較大的吸附擴散系數(shù)。CMK-5因其獨特的納米碳管陣列結(jié)構(gòu)，在中、低萘濃度下，具有較高的吸附速率。

（4）CMK-3適用于高濃度萘吸附，CMK-5適用于中、低濃度萘吸附，F(xiàn)DU-15適用于低濃度萘的高效吸附。

（5）具有微通孔結(jié)構(gòu)并匹配較為有序介孔的CMK-5具備最佳的萘脫附性能。綜合吸附結(jié)果，CMK-5是氣相萘吸附劑的最佳選擇。

符 號 說 明

A——指前因子，min-1 C——出口氣相萘濃度，mol·m-3 C*——平衡時氣相萘濃度，mol·m-3 C0——進口氣相萘濃度，mol·m-3 Ea——脫附活化能，kJ·mol-1 dp——吸附劑孔徑，nm ds——吸附劑顆粒直徑，nm Kfa——氣膜擴散系數(shù)，s-1 KGa——總傳質(zhì)系數(shù)，s-1 Kp——顆粒內(nèi)擴散系數(shù)，s-1 kL, kF, kS, nF, ns——等溫線擬和參數(shù) mf——樣品的最終質(zhì)量，mg mOMCs——吸附劑的質(zhì)量，mg mt——t時刻樣品質(zhì)量，mg m0——樣品初始質(zhì)量，mg P0——氣相萘飽和蒸氣壓，Pa q——吸附劑中萘的濃度，mol·kg-1 qL, qS——飽和吸附量，mol·kg-1 q0——平衡吸附量，mol·kg-1 T——水浴溫度，K Tp——DTG峰值溫度，K t——時間，min u——流體的線速度，m·s-1 x——量綱1濃度，x=C/C0 z——床層的軸向位置長度，m a——床層單位體積的傳質(zhì)區(qū)面積，m2·m-3 ε——床層孔隙率 ρ——固定床密度，kg·m-3 θ——轉(zhuǎn)化率 b——升溫速率，K·min-1 下角標(biāo) F——Frendlich模型 L——Langmuir模型 S——Sips模型

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Adsorption characteristics of low concentration gaseous naphthalene on ordered mesoporous carbons

MENG Miaomiao1, LIU Yingshu1,2, LI Ziyi1, JIANG Lijun1,YANG Xiong1,2, LIU Wenhai1,2

(1School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2Beijing Engineering Research Center for Energy Saving and Environmental Protection, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Three kinds of ordered mesoporous carbons (OMCs) were used to remove low concentration of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) — naphthalene (Nap), by dynamic adsorption experiments. The adsorption isotherms were fitted with isotherm models (Langmuir, Freundlich, and Sips) and kinetic model based on the assumption of constant concentration wave, respectively. The regeneration performance of the adsorbents were analyzed by means of mass loss curve based on the temperature programmed desorption analysis. The results indicated that the static adsorption behavior of Nap on OMCs can be well predicted by Langmuir and Sips isotherm models (2> 99%)，and the adsorption capacity of CMK-5 (1.735 mol·kg-1) is better than that of CMK-3 and FDU-15. The constant-pattern wave propagation model was found to well fit the breakthrough curves. And the existence of mesoporous in the adsorbents facilitated the adsorption mass transfer. With transversal micropores, CMK-5 and FDU-15 showed better regenerabilities, and the desorption activation energy follows the order: CMK-3 > CMK-5 > FDU-15. Based on the analysis of absorption and desorption kinetics, CMK-5 shows better application potential in the three kinds of adsorbents.

adsorption equilibrium; adsorption kinetics; ordered mesoporous carbons; polycyclic aromatic hydrocarbons; regenerability

10.11949/j.issn.0438-1157.20170079

X 511

A

0438—1157（2017）08—3109—10

劉應(yīng)書。第一作者：孟苗苗（1992—），女，碩士研究生。

國家自然科學(xué)基金項目（51478083）。

2017-01-17收到初稿，2017-03-31收到修改稿。

2017-01-17.

Prof. LIU Yingshu, ysliu@ustb.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (51478083).