活性炭吸附用于分離環(huán)己烷和苯

　　苯和環(huán)己烷是石化工業(yè)中加工的非常有價(jià)值的碳?xì)浠�合物。環(huán)己烷用于合成己二酸和己內(nèi)酰胺，它們是尼龍的原料前體。環(huán)己烷的生產(chǎn)約有80%–85%來自苯的催化加氫，該反應(yīng)產(chǎn)生環(huán)己烷和殘留苯的混合物，因此必須除去未反應(yīng)的苯。為了分離環(huán)己烷和苯，我們使用低成本材料開發(fā)了一種活性炭，并對其進(jìn)行了測試，以評估它們分離苯和環(huán)己烷的吸附性能。

　　活性炭材料的屬性分析

　　活性炭的X射線衍射圖如圖1-a所示。峰值在2θ=44在所有衍射圖中觀察到的6°歸因于對應(yīng)于石墨(00-001-0646)的(101)平面。與其他材料不同，活性炭的衍射圖也顯示在2θ=26.4°歸因于石墨(00-001-0646)的(002)平面。ZnO和CaCO3可能是在熱處理過程中作為原材料組分和活化劑之間二次化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物或由于前體中固有的殘留礦物質(zhì)含量而產(chǎn)生的。經(jīng)過掃描電鏡分析500倍的SEM顯微照片如圖1-b所示。觀察到所有活性炭都表現(xiàn)出異質(zhì)表面形態(tài)，其由不規(guī)則形式的成組薄片組成。在用ZnCl2活化的碳的表面上觀察到與氧化鋅相對應(yīng)的沒有特定形狀的白色小顆粒(通過XRPD分析證實(shí))。此外，EDS分析顯示存在分散在整個(gè)表面的碳(C)、氧(O)和鋅(Zn)，從而證實(shí)了ZnO顆粒分散在這些吸附劑的表面上。

　　圖1：(a)XRD圖案，(b)SEM顯微照片(500x)活性炭的EDS分析結(jié)果。

　　苯和環(huán)己烷的單一吸附

　　我們測試的9種活性炭中E1、E4顯示出更長的穿透時(shí)間，因此對環(huán)己烷(E4>E8>E1>E5)和苯(E4>E1>E8>E5)的吸附容量更高。還觀察到苯吸附的突破時(shí)間高于環(huán)己烷的突破時(shí)間，表明這些活性炭具有更高的苯吸附能力。含有吸附劑E1、E4、E5、E8和E9的填充床吸附苯(E4>E5>E8>E1>E9)的Ø值高于環(huán)己烷，表明這些床具有更高的苯吸附效率在傳質(zhì)區(qū)。此外，活性炭E2、E3、E6和E7的填充床在環(huán)己烷吸附(E6>E3>E2>E7)中表現(xiàn)出比苯更高的Ø值，它們在傳質(zhì)區(qū)吸附環(huán)己烷的效率更高。HMTZ苯吸附而不是環(huán)己烷吸附，這一發(fā)現(xiàn)表明它們對吸附質(zhì)擴(kuò)散的阻力較小。這些結(jié)果表明活性炭具有不同的吸附能力，這是有道理的，因?yàn)檫@些材料是在不同的制備條件下獲得的。因此，每種活性炭都呈現(xiàn)出獨(dú)特的表面物理化學(xué)特性，這決定了與評估吸附物的相互作用。

　　圖2：使用活性炭吸附(a)環(huán)己烷和(b)苯的突破曲線。

　　苯與環(huán)己烷的二元吸附

　　環(huán)己烷和苯在測試活性炭上的二元吸附，有相應(yīng)的穿透曲線。活性炭E4對二元混合物中的兩種碳?xì)浠�合物顯示出最高的吸附能力。盡管樣品E4的苯吸附容量較高，但其選擇性低于其他活性炭(E9>E5>E6>E3>E1>E8>E2>E4>E7)。所有活性炭都優(yōu)先吸附苯，但樣品E1、E4、E5和E8顯示出很高的苯吸附能力。填充床的小數(shù)容量比在單組分氣體吸附更大的二進(jìn)制吸附。當(dāng)使用低吸附物濃度時(shí)填充床的吸附效率增加。表明活性炭材料可以更容易、更有效地吸附傳質(zhì)區(qū)中的碳?xì)浠�合物。在二元混合物分離中，對活性炭苯吸附能力影響最大的因素是：活化劑、浸漬比和物理活化時(shí)間。吸附劑E1、E4、E5、E6和E8顯示出很好的信噪比。圖3說明了在測試條件下制備活性炭的平均S/N比。總體而言，制備具有高吸附能力的活性炭以從二元混合物中分離苯的合適條件已驗(yàn)證。

　　圖3：在分離苯/環(huán)己烷二元混合物期間，計(jì)算活性炭的苯吸附能力的平均信噪比。

　　請注意的是，低吸附容量意味著使用大量吸附劑來實(shí)現(xiàn)分離目標(biāo)，有序介孔二氧化硅或MOF而言不會帶來經(jīng)濟(jì)利潤，因?yàn)樗麄兊纳�產(chǎn)過程涉及昂貴的原材料。需要具有高選擇性和高吸附能力的低成本和可重復(fù)使用的吸附劑來分離環(huán)己烷/苯混合物。從這個(gè)意義上說，活性炭E5和QB是很好的替代品，因?yàn)樗鼈兙哂泻芨叩谋轿�附能力。此外，活性炭E5顯示出高選擇性，可以完全分離二元混合物。而活性炭QB允許可接受的分離并具有良好的可重復(fù)使用性。此外，這些活性炭的生產(chǎn)過程在成本效益方面具有優(yōu)勢，特別是當(dāng)有機(jī)殘留物用作原始前體時(shí)。

　　活性炭吸附用于分離環(huán)己烷和苯通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從低成本材料中制備出用于分離苯和環(huán)己烷的新型活性炭。分析了這些活性炭的吸附性能，并確定了合適制備條件，以提高其分離環(huán)己烷/苯混合物的分離性能。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，該活性炭吸附劑允許對該混合物進(jìn)行可接受的分離超過93%。

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