活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　氣態(tài)氨通常從幾個來源包括化肥工業(yè)，廢水處理廠，農(nóng)業(yè)廢料，動物飼養(yǎng)，奶制品/家禽業(yè)，堆肥設(shè)施，汽油車以及從特定化學(xué)工業(yè)。考慮到空氣污染和對環(huán)境的影響，也有很多技術(shù)已被用于除去氣態(tài)氨，比如生物過濾器，催化體系生物處理，洗滌器或者納米技術(shù)等。這次我們要使用活性炭類吸附技術(shù)來處理氨氣的排放。

　　顆粒活性炭的生產(chǎn)

　　使用專業(yè)的切刀將果殼其縮小到1–1.2毫米。然后使用化學(xué)活化工藝將各個果殼顆粒轉(zhuǎn)化為活性炭。對于初始浸漬步驟，首先將原材料在100°C的烤箱中干燥。然后按特定的浸漬比混合，將該混合物放置過夜以進(jìn)行浸泡。然后將各混合物移至炭化活化爐中進(jìn)行加工。出來的產(chǎn)品使用高純水進(jìn)行洗滌，過程直到洗滌水的pH達(dá)到接近中性。接著使用標(biāo)準(zhǔn)烘箱在110℃下干燥所得產(chǎn)物，然后進(jìn)行過篩機(jī)以獲得約1mm的活性炭顆粒。

　　氣態(tài)氨動態(tài)吸附研究

　　動態(tài)吸附研究使用臺式實驗裝置完成。圖1a提供了用于氨氣動態(tài)吸附實驗的各個裝置的布局。它由以下主要獨立組件組成：氨氣標(biāo)準(zhǔn)氣瓶，高純度空氣供應(yīng)單元，通過一系列控制氣體流量和氣體濃度的閥門將氣源與活性炭塔連接的標(biāo)準(zhǔn)流量計，活性炭塔和氨氣分析儀。包含所產(chǎn)生的活性炭(使氨氣連續(xù)通過的塔)的塔由氟化乙烯丙烯管制成，其內(nèi)徑為6.35 mm，外徑為7.938 mm。首先在塔的底部提供惰性支撐，然后填充顆粒活性炭，然后在頂部填充相同的惰性材料。使用分離/專用的標(biāo)準(zhǔn)流量控制器。此后，將高純度空氣源和氨氣標(biāo)準(zhǔn)液的連續(xù)流混合(以特定的流速)，以實現(xiàn)所需的進(jìn)料氣態(tài)氨氣濃度(用于吸附實驗)。

　　圖1：用于動態(tài)連續(xù)氨氣流量吸附實驗的實驗裝置。

　　氨氣濃度的影響

　　我們進(jìn)行了一組實驗以評估進(jìn)水氨濃度對其基于吸附的去除的影響。為此，使用6 cm和8 cm的活性炭色譜柱，在不同的進(jìn)水氣態(tài)氨濃度下進(jìn)行了幾次實驗。對于8 cm活性炭色譜柱，初始實驗在2.5至7.5 ppmv的氣態(tài)氨氣之間進(jìn)行。分別在1.1和2.2 L/min的氣體流速下的各自發(fā)現(xiàn)顯示在圖2a，b中。顯然，隨著進(jìn)水氨濃度的逐漸降低，突破點也向更長的時間轉(zhuǎn)移。例如，圖2中的結(jié)果a顯示以下突破趨勢：1295分鐘(2.5 ppmv)>712分鐘(5 ppmv)>532分鐘(7.5 ppmv)。此外，各個實驗的排氣時間值還顯示出在較低氣態(tài)氨濃度下的較長運行時間，即4000分鐘(2.5 ppmv)>2312分鐘(5 ppmv)>1574分鐘(7.5 ppmv)。此外，圖2中的吸附趨勢通常顯示出較寬的吸附穿透曲線，表明傳質(zhì)區(qū)(MTZ)的長度相對較大。這與苯在活性炭上的吸附有所不同，后者表現(xiàn)出明顯的穿透曲線。對于氨而言，這種不同的趨勢可能歸因于可以與表面酸性基團(tuán)相互作用的氨部分的基本性質(zhì)。進(jìn)入的氣態(tài)氨的增加及其從整體氣相到GAC表面的轉(zhuǎn)移將啟動GAC表面吸附位點(包括孔中的那些位點)更快的消耗。由于各自的表面吸附位點是固定的和有限的，因此預(yù)計在較高的進(jìn)水氨濃度下，較早的突破以及較早的耗盡將逐漸發(fā)生。

　　圖2：進(jìn)水氨氣濃度對活性炭上氨氣吸附突破曲的影響。

　　氨氣流量的影響

　　本研究還使用基于數(shù)據(jù)坑的活性炭研究了氣體流速對氨吸附的影響。圖3提供了1.1至3.3 L/min的氣體流速的相應(yīng)結(jié)果。通常，氨氣流量的逐漸增加也會導(dǎo)致相應(yīng)的穿透時間和排氣時間響應(yīng)逐漸減少(圖3)。例如，流量為1.1、1.65、2.2和3.3 L/min時的突破時間分別為712、383、272和197 min(圖3)。因此，較高的突破時間值在較低的氨氣流速下蒸發(fā)。此外，對于1.1、1.65、2.2和3.3 L/min流量研究，還分別記錄了2312、1673、1315和1213分鐘的排氣時間。這類似于上述突破時間趨勢，可以解釋如下。在較低的流入氣體流速下，氨分子從氣相到活性炭表面的傳質(zhì)速率也相對較小。因此，與較高氣體流速下的活性炭表面部位相比，單位時間內(nèi)所占據(jù)的活性炭表面部位也更少，產(chǎn)生更高的穿透時間和耗竭時間響應(yīng)(圖3)。這些發(fā)現(xiàn)對于實際應(yīng)用尤其重要。

　　圖3：進(jìn)水氨/氣體流量對活性炭吸附的影響。

　　我們研究了活性炭在處理氣態(tài)氨中的應(yīng)用，以及進(jìn)水氣體流速，氣體濃度和活性炭柱長(床深)對氨氣吸附的影響。結(jié)果表明，活性炭在一組不同的工藝條件下成功處理了氣態(tài)氨。各自的發(fā)現(xiàn)表明，增加的穿透/排氣時間隨著進(jìn)水氨的減少和活性炭床深度的增加而增加。在當(dāng)前情況下，氣態(tài)氨吸附的較寬的穿透曲線表明傳質(zhì)區(qū)(MTZ)的長度相對較長，這表明應(yīng)提供更長的活性炭色譜柱長度，以避免早期穿透，以實現(xiàn)良好的實際應(yīng)用。總之，當(dāng)前工作的結(jié)果表明，活性炭可以成功地用于處理氣態(tài)氨的排放，并在許多行業(yè)中具有潛在的應(yīng)用前景。

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