活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭的脫硫再生性能測試

　　二氧化硫是工業活動中釋放的主要空氣污染物。該氣體主要來自化石燃料(煤，石油和天然氣)的燃燒，燃燒用于發電和銅，鋁，鋅，鉛和鐵等礦物的冶煉。工業生產的二氧化硫隨意排放到大氣中會引起酸雨，從而造成空氣污染，土壤酸化，水污染和建筑結構破壞。在空氣污染控制領域，由于活性炭的硫含量極低，并且對硫化合物的選擇性高，因此已廣泛用于脫硫。活性炭是主要的二氧化硫吸附劑，特點是含有豐富的含氧基團和高度多孔結構的特性可以增強對二氧化硫的物理吸附性能。

　　活性炭脫硫的意義和反應過程

　　活性炭吸附二氧化硫直至達到飽和極限。在大多數情況下，飽和的活性炭無法重復使用，而是被填埋或焚燒。飽和活性炭的再生是工業和經濟等方面所需的功能，再生飽和材料的方法主要包括熱處理，氧化，微波輻射和電化學方法。考慮到成本，吸附效率和再生循環次數，熱處理是廢吸附劑再生的合適方法。該方法既簡單又通用，可以獲得更好的環境和工業效益。方程(1)–(3)中顯示了在活性炭對二氧化硫的吸附和解吸過程中的通用反應機理：

　　(1)SO 2 + O 2 + H 2 O→H 2 SO 4

　　(2)活性炭 + 2H 2 SO 4 →CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O

　　(3)活性炭 + H 2 SO 4 →CO + SO 2 + H 2 O

　　活性炭吸附二氧化硫實驗

　　實驗裝置如圖1所示。使用單因素實驗研究活性炭劑量，氧氣含量和煙道氣流速對活性炭吸附的影響。將一定量的吸附劑放在15×150 mm的U形管中，并在混合氣流下(在恒定混合氣體中含有2000 ppm 二氧化硫，一定量的氧氣)在60°C的水中加熱。，并用氮氣平衡二氧化硫的量用便攜式煙氣分析儀分析廢氣中的廢氣。計算吸附劑活性炭的脫硫效率，從而確定了合適的吸附條件。

　　圖1：活性炭的脫硫性能測試裝置。

　　活性炭的特性和脫硫再生

　　經過多次再生后從活性炭孔結構方面來看，熱再生后樣品表面似乎具有更多的微孔和中孔結構(圖2b)。此外，如圖2所示，在大孔內觀察到一些微孔結構e，f。在第8個循環后，孔不規則排列并部分塌陷。比較脫硫前后活性炭的表面形態，再生后樣品表面會沉積一些不規則形狀的白色顆粒，可能是硫酸鹽。一些微孔被這些顆粒堵塞。結果表明，再生后產生了新的微孔，這有利于活性炭對二氧化硫的吸附，而硫酸鹽的沉積導致脫硫活性下降，且再生持續不斷。

　　圖2：在0(a)，2(b)，4(c)，6(d)，8(e)，10(f)循環數后經過再生處理的活性炭的SEM圖像。

　　活性炭經過十個吸附解吸循環后的二氧化硫穿透曲線如圖3所示。在適當的吸附條件下，未使用過的活性炭在最初十分鐘內的平均脫硫率約為96%。多次再生后，脫硫效率逐漸降低。首先，原因之一可能是熱處理后微孔破裂。由于其熱穩定性和機械穩定性，在中孔碳材料(例如多孔碳納米纖維)中，此問題可以最小化。第二，活性炭的表面產生的再生，活性炭的微孔的一部分這一情況之后被封堵。另外，在熱處理過程中可能發生一定量的碳損失。盡管如此，在第十個循環中仍達到了95.4%的高脫硫效率。

　　圖3：再生活性炭的脫硫效率，其中0-10代表循環數。

　　活性炭的脫硫再生，在當前合適吸附條件下，經過10個加熱的再生循環，觀察到了活性炭的表征和脫硫效率。在熱再生期間，微孔被破壞，其中一些被活性炭表面的硫酸鹽顆粒阻塞。然而，由于硫酸蝕刻，從微孔到中孔的范圍內的孔寬度增加，并且產生了一些新的微孔。因此，活性炭的比表面積和孔體積略有增加。沒用過的活性炭的脫硫效率為98.7%。十個循環后脫硫效率為95.4%。結果表明活性炭十個熱再生循環后還具有較高的脫硫能力，其吸附效率和脫硫性能僅略有下降，因此可以得出結論，活性炭是適用于多次吸附-脫硫循環的材料。

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