活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　本期內容研究了用活性炭負載CuCl從合成氣混合物中分離一氧化碳。研究了活性炭吸附劑對一氧化碳的可逆吸附容量。在環境溫度下研究了利用制備的活性炭從合成氣體中分離一氧化碳的真空變壓吸附工藝。一氧化碳是一種重要的化學品，廣泛用作生產各種化學品的原料，包括甲醇，乙二醇，甲酸，乙酸，聚氨酯泡沫，聚碳酸酯塑等.。CO的生產主要利用蒸汽的方法改造天然氣和煤氣，從而生產含CO，CO 2，CH 4，N 2和H 2的合成氣混合物。

　　從氣體混合物中分離CO的技術，包括低溫蒸餾，液體吸收和吸附過程。對于吸附分離，一氧化碳吸附劑是直接確定分離性能的關鍵。雖然活性炭對一氧化碳的吸附能力比較好，但是在混合氣體中沒有很明顯的吸附選擇性。不過我們發現基于CuCl負載的活性炭可以提高活性炭的吸附容量和對一氧化碳的高吸附選擇性，這是由于更強的π-絡合作用CO與Cu+的相互作用離子支撐在活性炭材料上。

　　對于工業應用中氣體分離的理想吸附劑，要求多次吸附和解吸循環是可逆的，吸附和解吸循環操作應在相同溫度下進行。我們研究了操作溫度對CO在活性炭上的可逆吸附容量的影響，確定了操作溫度。在活性炭吸附CO后，通過排出氣體原位進行解吸，用機械真空泵抽真空30分鐘，研究CO，CO 2的吸附平衡等溫線。在環境溫度下使用制備的活性炭吸附劑從合成氣中分離CO的五床和七步真空變壓吸附工藝。圖1顯示了該過程的流程圖。

　　圖1：活性炭真空變壓吸附過程的示意流程圖。

　　活性炭對CO，CO 2，CH 4，N 2和H 2的吸附等溫線

　　圖2給出了純CO，CO 2，CH 4，N 2和H 2在活性炭吸附劑上的吸附平衡等溫線，操作溫度為30℃。顯然，活性炭具有較高的可逆CO吸附能力。并且可以優先吸附CO超過CO 2，CH 4，N 2和H 2，這歸因于高度分散的CuCl和CO之間通過π-絡合和較弱的范德華力和CO 2的靜電相互作用之間的較強相互作用，CH 4，N 2和H 2用吸附劑。

　　圖2：活性炭在30℃下對幾種氣體的吸附等溫線。

　　循環中活性炭床軸向CO濃度的變化

　　循環中活性炭床1上軸向CO濃度的變化在圖3顯示。在標記為Z/H的吸附床中精確定位7個測量點，分別為0.00,0.20,0.40,0.50,0.60,0.80和1.00，Z/H=0.00定義為吸附床的入口。從圖3中可以看出，在吸附步驟之后，吸附床處于Z/H=0.00-0.60達到CO吸附的飽和度。在ED步驟期間，一些雜質氣體從吸附床排出，并且CO濃度略微增加。在更換步驟中，吸附床中的CO濃度逐漸增加，并且在更換步驟后，吸附床中的CO濃度高于98%，除了床出口，即在更換步驟結束時，吸附床在Z/H=1.00時，CO吸附飽和。因此，活性炭在合適條件下被充分利用。

　　圖3：活性炭循環中吸附中CO濃度的變化。

　　每個步驟結束時的氣相軸向濃度分布

　　活性炭吸附步驟后CO，CO 2，CH 4，N 2和H 2的軸向濃度分布在圖4標記。可以看出，活性炭吸附步驟后，Z/H=0.00-0.60的吸附床達到飽和，CO，CO 2，CH 4，N 2和H 2的濃度不隨軸向距離變化床的一部分，與進料氣中各組分的濃度一致。并且在Z/H的不飽和吸附床中>0.60，隨著床軸距的增加，CO濃度逐漸降低，其他成分濃度逐漸增加。最后，所有組分的濃度趨于穩定。

　　圖4：活性炭吸附步驟后氣相中的濃度分布。

　　經過實驗數據反饋，我們制成的活性炭負載CuCl吸附劑在30℃的較低操作溫度下實現了高可逆CO吸附容量。已經描述和討論了用于在活性炭上從合成氣中分離CO的五床真空變壓吸附的模擬和優化。在該過程中活性炭床的操作步驟由接近實際條件的閥和動態邊界控制。通過調節廢氣的出口流速和置換氣體流速，優化操作條件以最大化CO回收率和CO產物純度。優化結果表明，活性炭真空變壓吸附過程的性能可以在運行限制下得到改善，并且恢復率非常高。可以從具有低CO濃度的合成氣獲得98.1%的CO。該真空變壓吸附工藝在環境溫度下操作，這可以大大降低活性炭對一氧化碳分離過程中的操作成本。

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