改性活性炭的燃爆特性

　　第 4 章 改性活性炭的燃爆特性

　　本章主要对改性活性炭的相关燃爆参数以及吸附甲苯后的燃爆参数进行测定，主要测试参数为爆炸下限、最大爆炸压力以及改性活性炭的自燃温度。由于甲苯在180℃时发生脱附，本章不对吸附甲苯后的改性活性炭做自燃温度测试实验。测得的参数进行对照比较，同时与未改性的原始活性炭的相关参数对比，探究制备的新型阻化剂对活性炭燃爆性能的影响，为活性炭粉尘、颗粒的阻燃抑爆提供一种新思路。

　　4.1 实验方案及步骤。

　　4.1.1 改性活性炭对甲苯的吸附。

　　采用在线催化剂评价装置进行改性活性炭吸附甲苯实验，测试方案同于2.2.5节。

　　本小节的吸附试验采用粒径为 40~80 目（平均粒径 299μm）的两种低共熔溶剂改性后的活性炭，探究经改性溶剂改性后活性炭对甲苯吸附量的变化情况。

　　4.1.2 改性活性炭自燃温度测试。

　　固体自燃温度测定实验依据国标 GB/T 21756-2008 进行。将活性炭粉装入边长为20mm 的金属丝网立方体中，采用标准模式对样品进行升温，升温速率为 0.5℃·min-1，目标温度为400℃。当样品温度达到400℃时，对应的烘箱温度即为样品的自燃温度。

　　实验选取平均粒径为 299μm 经阻化处理的活性炭为代表，对其进行自燃温度测试。探讨低共熔溶剂对活性炭自燃温度的影响。为保证实验结果的准确性，实验重复进行三次，对三次实验结果进行比对分析，发现三次实验结果得到的自燃温度上下不超过 2℃，故任取一次的实验结果进行分析。

　　4.1.3 爆炸下限测试。

　　实验依据国家标准 GB/T16425-1996 选用能量为 10kJ 的化学点火头，所测的样品的含水量不得高于 10%，粒径不得大于 75μm。

　　判断依据为：如果实验中测出的活性炭粉尘的最大爆炸压力不大于 0.15MPa，即 10kJ 点火头爆炸产生的最大爆炸压力，在该条件下重复进行测试五次，如果均未发生爆炸，就可以认为在该浓度下，粉尘无法爆炸。

　　在原始活性炭测定爆炸下限时，实验初步选取 10g·m-3作为实验的初始活性炭粉尘浓度。因此，本次实验也从 10g·m-3的浓度开始测试。实验步骤与 2.2.3 节内容大体一致，此部分不再赘述。选取平均粒径为 299μm 经咪唑-脯氨酸处理的活性炭，进行爆炸下限测试实验。

　　4.1.4 最大爆炸压力测试。

　　根据国家标准 GB/T 16426-1996，实验在 20L 球形爆炸测试仪内进行，选用能量为 10kJ 的化学点火头。所测的样品的含水量不得高于 10%，粒径不得大于 75μm。

　　实验用的样品为 200 目以上（≤74μm）的活性炭。实验样品经真空干燥箱 60℃，12h真空干燥，对样品的含水量进行测试，测得样品含水量为 7.54%，满足实验要求。

　　实验步骤参照 2.2.4 节中内容。选取平均粒径为 299μm 经咪唑-脯氨酸处理的活性炭为代表，进行最大爆炸压力测试实验。

　　4.2 实验数据及结果分析。

　　4.2.1 改性活性炭甲苯吸附量。

　　本次实验选取经两种改性溶剂改性后的平均粒径为 299μm 的活性炭进行测试。

　　甲苯吸附量的检测由 GC7900 气相色谱仪进行监测。气相色谱仪提供的数据可以得到甲苯气体流经不同改性溶剂改性后的活性炭后，未被吸附甲苯的峰面积。当色谱仪检测到的峰面积不再发生变化，或者在某一个范围内上下波动时，证明活性炭吸附甲苯达到饱和。

　　

　　由图 4-1 可以看出，经过两种低共熔溶剂改性后的活性炭在实验刚开始的前24min 内，对经过的甲苯气体进行大量的吸附，气相色谱仪检测到的甲苯峰面积变化波动范围很小。24min 之后，甲苯峰面积开始大幅度上升，活性炭对甲苯的吸附量开始减小，在 64min 左右两种改性活性炭吸附甲苯达到饱和。而未经改性的原始活性炭，吸附的第 12min 后，甲苯峰面积大幅上升，经过对比可以得知经过改性的活性炭对甲苯的吸附量大大高于原始活性炭。分别称取吸附饱和后的活性炭质量，由公式（1-1）计算甲苯的吸附量，计入表 4-1。

　　

　　由表 4-1 可知，经过咪唑-脯氨酸和丙氨酸-甲磺酸改性的活性炭对甲苯的饱和吸附量都有大幅度的提升，为原始活性炭饱和吸附量的二倍之多，远大于原始活性炭。

　　其中经咪唑-脯氨酸改性处理的活性炭的饱和吸附量为 72.66mg·g-1，丙氨酸-脯氨酸改性处理后的活性炭饱和吸附量为 67.63mg·g-1，咪唑-脯氨酸改性活性炭对甲苯的吸附效果更好一些。由 3.3.3 节内容可知，经过改性后的活性炭通孔数量相对于原始活性炭大大提高，致使甲苯的饱和吸附量随之提升。经过咪唑-脯氨酸改性后的活性炭表面孔隙数量比丙氨酸-甲磺酸处理过的活性炭要多，导致咪唑-脯氨酸改性活性炭的饱和吸附量更大。

　　4.2.2 改性活性炭自燃温度。

　　由固体自燃温度试验仪对改性后的活性炭进行自燃温度测定，其升温曲线如图4-2、图 4-3 所示。

　　由图 4-2、4-3 可知，经过咪唑-脯氨酸改性后到的活性炭自燃温度为 381.2℃，比同粒径范围的原始活性炭自燃温度提高 26.3℃；发生自燃用时 11h59min，比原始活性炭着火时间延迟了将近一个小时。经丙氨酸-甲磺酸处理后的活性炭自燃温度为384.5℃，从开始蓄热到发生自燃用时 12h14min，发生自燃时间相对于原始活性炭延迟 1h10min。

　　

　　实验结果表明，经过阻化改性后的活性炭自燃危险性相对于原始活性炭有明显的降低，丙氨酸-甲磺酸的阻化效果更好。由 3.3.2 节的内容可知，经阻化处理的活性炭，一方面甲基和亚甲基的数量减少，使活性炭的稳定性得以提升；另一方面醚键和酯键数量的提升，使氧气与活性炭的接触减少，总体上降低了活性炭的自燃危险。

　　实际应用过程中可以采用丙氨酸-甲磺酸或者咪唑-脯氨酸对活性炭进行处理，既能作为阻化剂，对活性炭的自燃起到一定的抑制作用，也能增大活性炭的饱和吸附量，大大降低甲苯浓度。同时制备的两种溶剂具有低毒可降解、价格低廉且易于制备等优点，对于工程实际中的应用具有一定的参考意义。

　　4.2.3 爆炸下限结果分析。

　　4.2.3.1 改性活性炭爆炸下限测试。

　　改性后活性炭粉的爆炸下限记录表见表 4-2。

　　

　　由表 4-2 可知，初始测试浓度为 10g·m，系统检测到的压力为0.12MPa，根据相关规定，认为此浓度下活性炭粉未发生爆炸。增大粉尘浓度到 60g·m-3，爆炸产生的压力达到 0.16MPa，活性炭粉发生爆炸。减小测试浓度，最终得到改性后的活性炭的爆炸下限在 55g·m-3~60g·m-3，远高于原始活性炭的爆炸下限。

　　4.2.3.2 吸附甲苯后活性炭爆炸下限。

　　由上节内容可知，改性后的活性炭爆炸下限在 55~60g·m-3之间，故选取 55g·m-3作为初始测试浓度进行爆炸下限测试，实验结果记录到表 4-3 中。

　　

　　由表 4-3 可知，经 20L 球形爆炸装置测定，吸附甲苯后的改性活性炭在浓度为55g·m-3时发生爆炸，减小测试浓度，浓度为 42g·m-3时系统检测到的压力显示活性炭未发生爆炸，在此浓度下重复实验，活性炭均未发生爆炸，故此次试验活性炭爆炸下限在 42~45g·m-3之间。其下限浓度比改性后活性炭的下限降低，分析原因可能是因为此次实验样品活性炭对甲苯进行了吸附，点火头首先将甲苯气体引燃，释放出一部分能量，与点火头能量想叠加，相对于同浓度下单纯的活性炭粉，吸附甲苯后的活性炭更容易被引燃，爆炸下限也就会降低。

　　4.2.4 最大爆炸压力测试。

　　利用 20L 球形爆炸系统对改性活性炭以及吸附甲苯后的改性活性炭进行最大爆炸压力测试，其爆炸压力随浓度的变化如图 4-4 所示。

　　由 4-4 可以看到，改性活性炭以及吸附甲苯后的改性活性炭与原始活性炭的最大爆炸压力随浓度变化趋势相同，都是在一定浓度范围内，爆炸压力随粉尘浓度的增加先逐渐上升达到最高点开始下降。实验结果显示：经阻化改性后的活性炭最大爆炸压力为0.52MPa，最优爆炸浓度为500g·m-3，吸附甲苯后最大爆炸压力为0.54MPa，最优爆炸浓度为 450g·m-3；原始活性炭最大爆炸压力为 0.56MPa，最优爆炸浓度在250g·m-3附近。

　　结果表明改性后的活性炭以及吸附甲苯后的改性活性炭最大爆炸压力相对于原始活性炭变低，且达到最大爆炸压力的浓度提高，说明改性活性炭爆炸相对于原始活性炭达到最大爆炸压力的条件提高，对粉尘浓度的敏感性减弱，在一定程度上比原始活性炭的安全性要高。考虑到经咪唑-脯氨酸改性后活性炭中醚键增多，使活性炭的化学惰性更加稳定，氧气与活性炭的接触减小，无法顺利与活性炭发生反应，同时甲基和亚甲基数量的减少使活性炭结构更加稳定，降低了活性炭的燃爆危险性，因此实验制备的阻化剂对活性炭的阻燃抑爆效果明显。

　　4.3 本章小结。

　　本章对改性活性炭的自燃温度、改性活性炭以及吸附甲苯后的爆炸下限、最大爆炸压力进行了实验测定。测得的参数与未改性的原始活性炭的相关参数对比，探究了制备的新型阻化剂对活性炭燃爆性能的影响，为活性炭粉尘、颗粒的阻燃抑爆提供一种新思路。

　　1）经改性后活性炭孔隙数量增多，对甲苯饱和吸附量增大，降低了环境中的甲苯浓度。

　　2）咪唑-脯氨酸、丙氨酸-甲磺酸对活性炭的改性处理，降低了活性炭自燃温度，提高了活性炭的爆炸下限，使活性炭最大爆炸压力降低，作为新型阻化剂，其阻燃抑爆效果明显。