改性活性炭-脫硫行業的專家--神泰脫硫活性炭，改性活性炭-脫硫行業的專家--神泰脫硫活性炭-神泰改性活性炭-脫硫行業的專家--神泰脫硫活性炭服務熱線：0371-64116799
摘要 將活性炭浸漬金屬鹽后再進行微波加熱，以開發一種價廉且性能較好的活性炭脫硫劑。應用正交實驗法研究了浸漬劑種類、浸漬劑組成、微波功率、輻照時間4種因素對改性活性炭脫硫效果的影響。結果表明，浸漬劑種類和微波功率是決定改性活性炭硫容量的關鍵因素。最優的改性活性炭脫硫劑是在微波功率為680W、輻照時間為2min時，擔載5%的Cu（NO3）2浸漬劑改性的活性炭，此改性活性炭硫容量可達120.9mg/g以上。
1 前言
　　燃煤煙氣中的SO2是大氣中的主要污染物，如何高效、低成本地降低其排放一直是環保領域研究的重點。普通活性炭脫硫劑雖已有幾十年的應用歷史，但單純活性炭的吸附氧化活性并不高。為了開發一種價廉且性能較好的活性炭脫硫劑，國內外學者研制了數種改性活性炭[1～3]。Bhacca [4]認為改性后的活性炭不再完全是物理吸附，而是產生一種介于物理吸附和化學吸附之間的電性吸附，因此提高了活性炭的吸附性能。
目前，研究最多的一類是將活性炭在金屬鹽溶液中浸漬后烘干，改變金屬存在形態，負載金屬原子或金屬氧化物，增加或改變活性炭的活性位，使SO2在改性后的活性炭表面上氧化為SO3，從而提高對SO2的吸附容量[5]。還有一類是將活性炭材料在惰性氣體中高溫熱處理，賦予活性炭以某種特性，增強其脫硫活性[6]。因為活性炭能有效地吸收微波能量，使溫度達到1000℃以上，所以本實驗在浸漬活性炭的基礎上，將浸漬金屬化合物后的活性炭再進行微波加熱，以期獲得更好的脫硫效果。本文應用正交實驗法研究了在不同改性條件下，改性活性炭的脫硫性能。
2 實驗部分
2.1 改性活性炭的制備
　　本實驗所用活性炭為重慶市北碚化學試劑廠生產的HG3-1290-80型顆粒狀媒質活性炭。將此活性炭粉碎至20～40目，經過預處理后，分別等體積地浸漬在不同濃度的Na2CO3、MnSO4、Cu（NO3）2溶液中，并振蕩約2h，然后在100～110℃下烘10～12h。取10g浸漬活性炭裝入石英玻璃反應器中，然后將反應器放入由四川大學無線電系改裝的MCL-2型微波發生器中，在高純N2的保護下熱處理，控制微波功率，一定時間后，在N2中冷卻至100℃以下，保存備用。
2.2 SO2吸附性能的評價
SO2吸附實驗在固定床玻璃反應器中進行，實驗流程如圖1所示。反應器的內徑為8mm，用超級恒溫水槽恒溫，SO2進出口的濃度采用碘量法檢測。實驗中所有的樣品都在同一條件下考察，即樣品用量均為1.00g，裝填高度約為28mm， SO2濃度為0.348%，其余為N2，氣體流量為0.2L/min，反應溫度為30℃,樣品粒徑為20-40目。SO2在活性炭上的吸附量由活性炭吸附SO2氣體前后的增加質量計算得到。
實驗考察了不同的浸漬劑、浸漬劑相對于活性炭的含量、微波功率、輻照時間4種主要因素對改性活性炭脫硫劑硫容量的影響。各因素水平如表1所示。

表1 正交實驗考察的因素及水平
序 號 浸漬劑種類 浸漬劑含量(%) 微波功率(W) 輻照時間(min)
1 Na2CO3 5 170 1
2 MnSO4 10 425 2
3 Cu（NO3） 15 680 3

3 實驗結果和討論
3.1 極差分析
實驗結果以脫硫劑的穿透率為0.6時的硫容量，即單位質量脫硫劑脫除的SO2質量作為評價脫硫劑優劣的指標。用L9(34)正交實驗表安排實驗，實驗結果如表2所示。

表2 正交實驗結果
試驗號浸漬劑種類浸漬劑含量%微波功率W輻照時間（min）硫容量
1 1 1 1 1 48.14
2 1 2 2 2 60.37
3 1 3 3 3 58.42
4 2 1 2 3 57.88
5 2 2 3 1 68.03
6 2 3 1 2 53.86
7 3 1 3 2 105.45
8 3 2 1 3 81.05
9 3 3 2 1 79.2
對以樣品的硫吸附量為評價指標的正交實驗作極差分析，如表3所示。可以看出，經過改性后的活性炭對硫的吸附量大大提高了，浸漬劑種類和微波功率是決定改性活性炭吸附脫硫性能的關鍵因素，而幾種浸漬劑含量和輻照時間對硫容量的影響不是很顯著。從本實驗的結果來看，最優改性條件是：浸漬劑為Cu（NO3）2，微波功率為680W，輻照時間為2min，浸漬劑含量為5％。此改性活性炭具有最高的硫吸附量，為120.9mg/g，與未改性活性炭的硫吸附量31.9mg/g相比，增加了約3.8倍。 
表3 穿透率為0.6時硫容量的極差分析
序號 浸漬劑種類 浸漬劑含量（%）微波功率（W）輻照時間（min）
1 55.64 70.49 61.02 65.12
2 59.92 69.82 65.82 73.23
3 88.57 63.83 77.30 65.78
極差 32.92 6.66 16.28 8.10
3.2浸漬劑的影響
　　從表2可以看出，以Na2CO3和MnSO4作浸漬劑的改性活性炭對硫的吸附性能雖然比起原樣來均有提高，但效果不是很好；而以Cu（NO3）2作浸漬劑的改性活性炭卻有很好的硫吸附性能。圖2為不同改性脫硫劑分別在有氧和無氧條件下的硫吸附量的比較。從圖上可以看出，Cu（NO3）2不管是在無氧還是在有氧的環境下，其效果都較好，說明以此物質浸漬改性的活性炭具有良好的吸附性能和催化性能。這是由于用Cu（NO3）2作浸漬劑改性的活性炭表面結構含氮量增多，相應氨基、亞氨基等含氮官能團增多有利于對SO2的吸附[6]，使其在一定時間內吸附SO2的總量大于原樣。另一方面，由于改性活性炭表面隨浸漬引入了Cu(NO3)2, 更增加了活性組分CuO, CuO的存在同樣對SO2的吸附更為有利。而盡管MnSO4浸漬改性的活性炭在無氧條件下的硫吸附量比Na2CO3和Cu（NO3）2浸漬炭的都低，然而在有氧條件下卻和Na2CO3和Cu（NO3）2浸漬炭的脫硫性能相差不多，這說明MnSO4浸漬炭具有較好的催化性能。有氧氣存在時，改性活性炭的脫硫活性大大高于無氧時，說明SO2在脫硫劑上的吸附有氧的參與，可能發生如下催化氧化反應:2SO2+O2+2MO→2MS O4 (M為某一金屬)。
3.3 浸漬劑組成的影響
　　改性活性炭脫硫劑中的活性組分金屬氧化物的擔載量是影響其脫硫活性的因素之一。為尋求高活性脫硫劑適應的載銅量，在30℃下分別對載銅量為0％、5％、10％、15%的脫硫活性進行評價，結果見圖3。可以看出，反應一開始，未改性活性炭在出口處就可檢測到較高濃度的SO2，其出口濃度隨時間的延長迅速增加；而改性活性炭表現出相對高的脫硫性能，且載銅量在0％～5％之間，脫硫活性隨載銅量的增加明顯提高；當載銅量為10～15％時，改性活性炭的脫硫性能反而下降了。此現象可能的原因是[7]: 載銅量為5％時，CuO基本上分布在與氣相SO2容易接觸的活性炭表面，制約擴散過程進行的微孔內分布的CuO較少；當載銅量介于10％～15％之間，分布在易接觸表面CuO的量基本相同，但微孔內的CuO隨載銅量的提高而增加，微孔堵塞趨于明顯，有效吸附表面減少，脫硫性能下降。另一方面，銅擔載量低于5％，活性組分CuO在活性炭表面高度分散，無體相CuO出現，但脫硫劑過低的活性組分含量，使得脫硫活性較低；高于5％時，CuO在活性炭表面發生多層覆蓋，且隨著載銅量的繼續增加，活性組分聚集和內部微孔堵塞嚴重，致使脫硫活性出現明顯下降。
3.4 微波功率的影響
　　圖4表示微波功率對浸漬改性活性炭脫硫效率的影響（以 Na2CO3浸漬炭為例）。從圖中可以看出，隨著微波功率的增大，硫吸附量增加；但是增加到一定程度，微波功率再增大，硫吸附量趨于平穩，且有下降趨勢。這是因為在活性炭的孔隙中吸附著有機物和殘留炭等微量物質，這些物質大部分集中在微孔中，在微波加熱的作用下，它們克服范德華力吸引開始脫附。隨著微波能量的聚集，在致熱和非致熱效應的共同作用下有機物一部分燃燒分解，放出CO2和CO氣體，留下許多活性中心可增強活性炭對SO2的吸附性能。但是，活性炭自身微波能量聚集過多會促使原有孔隙邊上的碳被燒毀、微孔減少、中孔和大孔增加，使它的脫硫性能降低。

3.5 輻照時間的影響
圖5 表示微波輻照時間對改性活性炭脫硫性能的影響[以Cu（NO3）2浸漬炭為例]。從圖中可以看出，在1～2min之間，隨著微波輻照時間的延長，脫硫效果越好；但是當到2min以后，時間再延長，硫容量反而有所下降。這可能是因為在微波加熱處理開始階段，使活性炭孔隙內的無序碳、焦油產物在孔隙表面的熱解產物被消除。這樣一方面打開了閉塞的孔隙，另一方面從基本微晶的石墨中除去部分碳，產生新的微孔。微孔增加，表面上未飽和的碳原子增多，由于高度重疊的吸附勢與氧等原子的化學吸附，使得一些位置勢能增加，形成的吸附轉化活性位就越多。而微波熱處理時間過長、溫度過高，具有各向異性的活性炭基本微晶發生不同程度的熱膨脹，造成孔隙塌陷、孔容減小，因而它的硫吸附性能也降低。
4 結語
4.1本實驗所制得的改性活性炭脫硫劑，比未改性活性炭的硫吸附量顯著增加，浸漬劑種類和微波功率是決定改性活性炭硫容量的關鍵因素。最優的改性活性炭脫硫劑是在微波功率為680W、輻照時間為2min下，擔載5%的Cu（NO3）2的改性活性炭，此改性活性炭硫容量可達120.9mg/g以上。
4.2采用浸漬金屬化合物再微波加熱處理后的改性活性炭，脫硫性能大大提高了。原因可能為，微波加熱將金屬鹽分解為金屬氧化物，在吸附反應中，金屬氧化物將SO2氧化為SO3，而其本身則還原為金屬單質，金屬單質又可在活性炭上氧化變回金屬氧化物，從而完成催化循環，構成具有更高活性的改性活性炭吸附催化劑，反應如下：SO2+MO=SO3+M(M為某種金屬)。而微波加熱將活性炭許多閉塞的微孔打開也是其中的一個主要原因。
4.3活性炭脫硫劑金屬鹽的擔載量以5％～10％為宜，經過微波加熱處理后，既能保證金屬物質在活性炭上有較高的分散性，又不至因過量金屬鹽介入而使活性炭微孔發生嚴重堵塞。
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