活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　懸浮在大氣中的顆粒物質已成為重要的危害之一。根據它們的空氣動力學直徑，它們已被分為3類，包括TSP(總懸浮顆粒)，超細顆粒PM 10和PM 2.5，空氣動力學直徑分別為≤100 μ M，10 μ m和2.5 μ米。其中，PM 10被確認為可吸入顆粒，而PM 2.5甚至可以直接進入肺泡。由于它們的比表面積都很大，所以PM 10和PM 2.5通常是一些危害物質的載體，例如重金屬，多環芳烴，二惡英等。

　　鐵礦石燒結是整個煉鋼鏈中的一個重要過程，其目的是將細粒鐵礦石團聚成塊狀，用于高爐煉鐵。然而，這個過程是大氣污染物的主要排放源。除了作為SO 2，NOx，COx 等多種氣態污染物的主要排放源外，燒結過程甚至排放出大量超細顆粒物PM 10和PM 2.5，其排放量占總排放的40%以上。不幸的是，到目前為止還沒有有效的技術來解決鐵礦石燒結排放的這個問題。由于活性炭，其特征在于巨大的比表面積和發達的孔隙結構，它已被廣泛應用到凈化燒結煙氣，其主要集中在減少像SO 2氣態污染物的排放和NOx。有趣的是，還發現活性炭還具有從煙道氣中過濾顆粒物質的功能。然而，沒有關于活性炭對PM10的性能研究和PM 2.5去除。所以本期我們實驗用活性炭去除PM10個PM2.5。

　　燒結煙氣是由混合鐵礦石，助熔劑(石灰石，白云石和生石灰)，固體燃料(焦粉)和返回細粉(燒結<5 mm)等原料產生的。活性炭在測試過程中，用去離子水洗滌活性炭并在使用前進行干燥。

　　實驗方法采用實驗室規模的燒結罐來模擬真實的燒結礦生產過程，如圖1所示。對于燒結的產生，首先將原材料進行混合，在此期間加入規定的水。其次，將原料混合物在水平安裝的長度為1400mm，直徑為600mm的轉鼓中進行造粒過程，轉速和造粒時間分別為15rpm和4min。之后，將粒化的混合物加入燒結罐中。在進料之后，表面原料混合物層中的焦炭被點火罩點燃，然后燃燒前沿在下降系統的支撐下向下移動。點火時間在1050±50℃下為1分鐘，壓降為5kPa。然而，壓降變為10kPa用于燒結，然后變為5kPa用于冷卻。

　　圖1、超細顆粒去除和取樣設備示意圖。

　　為了研究活性炭對顆粒物排放的影響，使用內徑為100 mm的不銹鋼管來模擬進料活性炭后的實際吸收器(圖1)。在測試過程中，含有煙道氣的顆粒物質在真空泵的幫助下通過活性炭床。使用低壓級聯撞擊器(通過玻璃纖維過濾器從煙道氣中收集顆粒物質，用來計算活性炭的去除率。

　　排放濃度的影響

　　圖2說明了活性炭床厚度對超細顆粒物排放特性的影響。從圖2(a)可以看出，隨著活性炭床厚度的增加，具有各種空氣動力學直徑的顆粒物質的排放濃度呈現下降趨勢。當厚度為300 mm時，圖2(b)所示的PM 10和PM 2.5的排放濃度從72.5 mg/m 3和41.6 mg / m 3顯著下降到31.5 mg/m 3和21.4 mg/m 3， 分別。圖2(c)表明增加活性炭床的厚度可以提高顆粒物的去除率。此外，活性炭對直徑較大的顆粒物質表現出較高的去除率。當床層厚度為300 mm時，當床層厚度從100 mm增加到300 mm時，PM 10和PM 2.5的去除率分別從30.5%和21.3%增加到56.6%和48.5%(圖2(d))。

　　圖2、活性炭的用量對PM 10和PM 2.5排放的影響。

　　物理化學性質的影響

　　圖4顯示了煙氣通過活性炭之前和之后的化學組成。可以發現PM 2.5中的+ Fe，Ca，Si，Al和Mg的含量在煙氣通過活性床時比基礎情況下都有所增加，而K，Na，Pb的含量， PM 2.5中的 Zn和Cl都出現了下降。圖5給出了煙氣經過活性炭層后在過濾器中收集的PM 2.5的SEM圖像，觀察到經活性炭去除后，較大顆粒的數量主要由K和Cl組成減少(圖5)(b)-5(d))與基本情況比較(圖5(a))雖然有許多較小的顆粒，如球形顆粒(圖5(d))，主要包含Fe和Ca這種現象與PM 2.5的化學成分變化非常一致。此外，與使用厚度為200毫米，粒度為8-12毫米的活性炭床的情況相比(圖5(b))，出現了較少的大的富含K-Cl的顆粒，并且出現了許多較小的球形富含Fe-Ca的顆粒。

　　圖3、活性炭對PM 2.5化學成分的影響。

　　圖4、活性炭對PM 2.5形態的影響。

　　圖5顯示了粘附顆粒物質后活性炭的形態，其中可以發現許多顆粒分布在活性炭的孔隙或表面上。圖5(a)-5(c)中示出了分布在孔隙尺寸約20顆粒 μ米，5-10 μm和1 μ米。圖5(d)示出了分布式活性炭的表面上的顆粒，其直徑幾乎小于1 μ微米。圖6給出了分布在孔隙中的顆粒的SEM映射，表明大量顆粒富含K，并且它們主要以氯化物或硫酸鹽的形式存在。這些顆粒的出現對應于PM 2.5中K和Cl含量的降低。

　　圖5、粘附超細顆粒物后活性炭的形態特征。

　　圖6、在活性炭表面上收集的超細顆粒物的SEM繪圖。

　　得出結論對于活性炭過濾器，粘附顆粒物質的典型機制包括重力沉降，靜電力和慣性碰撞和擴散。由于實驗主要集中在活性炭去除超細顆粒物PM 10和PM 2.5，因此可以忽略重力效應。

　　(1)活性炭去除PM 10比去除PM 2.5更有效，并且增加活性炭的吸附厚度或減小活性炭粒度有助于去除超細顆粒。除去率到PM 10和PM 2.5達到67.3%，并且當活性炭厚度和顆粒尺寸分別為200mm至3-5毫米，吸附效果能達到58.7%。

　　(2)活性炭的特征是分布廣泛的孔隙結構，具有不同的直徑和豐富的表面積，可作為容納超細顆粒的場所。

　　(3)超細顆粒中較大的顆粒更易受慣性影響，使其更容易去除，去除率更高。活性炭的厚度和體積孔隙率(與活性炭顆粒尺寸呈負相關)與PM 10和PM 2.5的去除效率呈正相關，這解釋了它們隨著活性炭厚度增加和顆粒尺寸減小而去除率越高。

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