活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭吸附用于二惡英的去除，隨著生活垃圾焚燒處理量迅速增加，所以需要開發經濟適用的處理方法。二惡英是廢物焚燒過程中的主要污染化合物之一，垃圾焚燒廢氣中二氧芑類物質通常是通過活性炭吸附。因此，對于活性炭的需求不斷增加。低成本，高效率的活性炭生產具有很強的工業前景。

　　本期我們適用四種典型的生物質廢棄物被用作生產活性炭的原料。使用了兩步法，即碳化與蒸汽活化相結合。分析了副產物，尤其是焦油化合物。計算流體力學的方法用于研究碳化副產物的利用。然后，提出了一種從生物質廢物中生產活性炭的環保方法。總計使用了四種生物質原材料用于碳化，并進一步用于制備活性炭樣品。將原料粉碎成1-5厘米大小，然后在管式爐反應器中熱解。TG-FTIR生物質碳化結果表明，熱解和碳化的主要溫度范圍為220–450°C，高灰分含量可能會影響孔的形成過程以及活化過程中活性炭的質量。但是，為了分析碳化過程中的揮發物釋放特性，圖1中顯示了一組不同生物質熱解揮發物的紅外光譜的典型3D圖。

　　圖1：四種生物質樣品熱解過程中氣態產物的3D FTIR吸收光譜。

　　紅外光譜跟蹤從40到800°C的釋放揮發物。可以觀察到已鑒定出氣體(CO2，CO，CH4，CxHy，H2O)和一些有機揮發性化合物(例如酸，醛，醇和醚)。上面討論的TGA和DTG曲線剛剛表明了按重量計的揮發性釋放特性。3D IR吸光度圖直觀地展示了氣體和揮發性有機化合物的釋放特性。

　　旋轉碳化反應器燃燒室的流體力學建模

　　為了使用碳化副產物，設計了一個燃燒室，用于處理揮發物(氣態和焦油化合物)，以提供碳化活性炭所需的熱量。碳化爐采用套筒式設計，旋轉碳化爐的結構如圖2。生物質材料在內缸中移動，熱煙道氣在外缸中流動。煙道氣是通過在燃燒室中燃燒部分碳化揮發物而產生的，該煙氣提供了內缸中的干燥和碳化反應所需的熱量。爐子的詳細尺寸如下：碳化室和外部加熱室的直徑分別為400毫米和700毫米。旋轉爐的長度是3000mm。燃燒室的長度為1200毫米。碳化氣體入口的直徑為16mm，空氣入口的直徑為10mm。

　　圖2：旋轉碳化爐的結構。

　　為了優化反應器的運行，使用流體力學建模來模擬揮發物的燃燒。該模型包括焦油的轉化以及活性炭和灰份的形成。模擬并比較了三種工作條件截面中的溫度分布特性顯示在​圖3顯示。

　　圖3：旋轉反應器橫截面上的溫度分布：(a)用于燃燒的碳化揮發物的10%;(b)用于燃燒的碳化揮發物的20%;(c)30%用于燃燒的碳化揮發物。

　　活性炭對二惡英的吸附和去除

　　二惡英是結合兩個苯環的氧的產物。就分子量而言，它們是184–460g/mol的有機鹵素化合物。以2,3,7,8-PCDD為例，一個分子的大小可以估計為最大長度為1.8nm，寬度為1.0nm，最小厚度為0.4nm。36當要凈化的氣體中存在1ng-TEQ/Nm3二惡英樣化合物時，可以認為1Nm3中二惡英樣化合物的數量約為2–200萬億。在實際的焚燒煙氣中，這些二惡英分子中的大多數都附著在顆粒上，例如灰塵，大約40%的二惡英以分子形式懸浮在氣體中。活性炭作為二惡英樣化合物的吸附劑，它們必須具有吸引和吸附二惡英樣化合物的能力。為了將二惡英類化合物分子引入到吸附劑(活性炭)的孔中，孔的入口直徑被認為比二惡英類化合物分子的最大直徑大一個數量級。為了通過類二惡英類化合物的分子運動將類二惡英類化合物誘導到孔深處的吸附固定位置，錐形收縮孔是理想的。同時，為了吸附和固定所吸引的二惡英樣化合物，需要大量孔徑為2.0-5.0nm的孔。根據前面的研究發現，兩種由木質材料制成的活性炭樣品均具有豐富的孔，直徑范圍為2.0至5.0nm，這表明這兩種材料非常適合二惡英的吸附。

　　針對由四種生物質廢料生產的活性炭，提出了碳化與蒸汽活化相結合的兩步過程。研究了揮發物的釋放特性以及碳化和蒸汽活化條件。獲得了用于從廢物中生產活性炭的優化參數。管式爐反應器的碳化結果表明，糠醛和苯酚及其衍生物是廢物碳化中的主要焦油化合物。碳化實驗表明，溫度為500°C，停留時間為30分鐘是三種生物質廢物的優化參數。木質1,2和椰殼的焦炭收率分別為26.4、25.73和30.38%。流體力學模型已經證明，使用20%的揮發物進行直接燃燒可以實現較低的污染，并為生物質廢物的碳化提供熱量。焦油和其他污染物幾乎可以通過直接燃燒消除。孔隙結構分析表明，源自兩種木質材料制成的活性炭樣品具有豐富的孔隙，平均直徑為2至5nm，適合于二惡英的去除。椰殼活性炭優先使用直徑小于2nm的微孔，這不適合去除大分子污染物，例如二惡英。

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