對活性炭纖維聯合脫硫脫硝的機理研究

朱凌 何開富 郁海松

摘要：在聯合脫硫脫硝方面，活性纖維碳由于具有較好的物理性質所以得到了應用。基于這種認識，本文通過實驗對活性炭纖維聯合脫硫脫硝機理展開了研究。研究結果表明，在N2中SO2和NO會對吸附位置進行爭搶，對SO2吸附能力強，材料表面形成的含氮官能團會給SO2提供吸附位置；在O2中材料外層NO會被氧化成更多的含氮官能團，為SO2提供吸附位，促使SO2被氧化成高價S。

關鍵詞：活性炭纖維；聯合脫硫脫硝；脫除機理

引言：

活性炭纖維（ACF）屬于新型吸附材料，孔徑小、比表面積大，并且功能較多，具有吸附量大、速率快等特點，是目前常見的高效環保工程材料。在燃煤發電領域，該材料能夠在脫硫和脫硝處理工藝中得到應用。而采用該材料實現聯合脫硫脫硝，可以降低企業生產成本，并且不會產生二次污染。因此，還應加強對活性炭纖維聯合脫硫脫硝機理的研究，從而更好的進行該種材料的推廣應用。

1實驗條件

1.1實驗材料

實驗使用粘膠基活性炭纖維，在實驗前利用去離子水進行反復多次清洗，然后在風干箱內干燥，溫度設定為110℃，干燥時長3h。干燥后對材料進行處理，得到6×10×3mm樣品備用。在基團結構性質測試中，取1mg樣品進行研磨，得到的粉末與100-200mgKBr混合均勻，利應液壓機進行透明薄狀片制作。實驗使用的廢氣由高純N2、純O2、3%SO2和3%NO構成，SO2和NO體積分數分別為750×10-6和700×10-6。

1.2實驗方法

在實驗過程中，需要利用自動吸附儀測試樣品孔特征，利用BET方程線性回歸完成樣品孔隙總面積估算，并利用T曲線法分析孔隙體積，利用BJH模型估算孔容納體系和直徑平均值。采用分辨率為4cm-1的Nicolet5700紅外光譜儀，可以在400-4000cm-1范圍下對樣品基團結構性質進行分析。在聯合脫硫脫硝實驗中，采用由氣瓶、混合器、ACF吸附床、恒溫水浴鍋、U型反應器和煙氣分析儀等設備構成的試驗裝置，利用減壓閥和控制器對各路氣體流量進行控制，完成單獨脫硫、單獨脫硝和聯合脫硫脫硝實驗[1]。反應溫度為40℃，氣體總流量為200mL/min，反應器內徑20mm，空速比1092h-1。采用KM950煙氣分析儀，可以對氣體中各種成分濃度進行測定。實驗時，需要將ACF樣品放入加熱的管式爐進行升溫脫附試驗，利用高純Ar氣以500mL/min速度進行樣品沖洗，確保其表面吸附的NO和SO2能夠得到去除。最后以10℃/min速度升溫，使管式爐溫度達到1000℃，然后利用分析儀測量脫附氣體。

2實驗結果與分析

2.1活性炭纖維孔結構分析

從活性炭纖維孔結構分析結果來看，材料表面主要為微孔，孔徑平均1.89mm，比表面較大，可達1266㎡/g，可以獲得較大的污染物吸附容量。相較于材料孔徑，SO2和NO的分子直徑分別為0.28nm和0.317nm，可以被材料大量容納。從測試結果來看，樣品孔容為0.6mL/g，微孔孔容為0.48mL/g。

2.2活性炭纖維單獨脫硫脫硝分析

從活性炭纖維單獨脫硫實驗情況來看，使用0.5g的ACF對含有10%O2的煙氣中的SO2進行吸附，憑借材料物理吸附作用，在實驗一開始就完成了全部SO2的吸附。在氣體吸附量逐步增加的情況下，材料表面吸附位開始減少，表面的SO2體積分數不斷增加，對SO2進行化學吸附，促使SO2體積分數顯著降低。吸附時間長達60min時，達到最大吸附值，并且產生亞硝基官能團。對比材料吸附O2和SO2的紅外光譜發現，在氧化作用下，NO成為亞硝酸根，為SO2提供了吸附位置。在O2中，吸附態SO2被氧化成高價氧化態S。

從單獨脫硝實驗情況來看，NO吸附反應條件與SO2一樣。在N2中，開始時NO濃度較高，3min達極值，之后先緩慢下降然后上升。在O2中，旁路中發現NO2氣體，主要是由于NO被氧化。切換固定床后，NO濃度增加，在240min達到極大值，然后下降[2]。對比兩種條件下NO紅外光譜分析結果可以發現，N2中ACF表面出現含氮官能團，主要是由于材料內含氧官能團的氧化作用。O2中材料表面-NO3吸收峰強烈，主要是由于NO被大量氧化。NO濃度一度下降，與吸附態NO被氧化從而釋放吸附位有關。升溫脫附期間，NO氣體被釋放，剩余O與材料表面C結合成為官能團。

2.3活性炭纖維聯合脫硫脫硝分析

從聯合脫硫脫硝情況來看，材料對NO吸附能力稍弱于對SO2的吸附。結合活性炭纖維單獨脫硫和單獨脫硝的機理，可以實現對聯合脫硫脫硝機理的推導。具體來講，就是材料對SO2吸附能力強，與SO2能夠輕松占據材料表面位置有關，以至于對NO的吸附進行了抑制。從紅外光譜對比結果來看，SO2和NO無作用發生。在N2下聯合脫附，材料表面SO2和NO發生了吸附競爭，吸附態NO形成亞硝基集團，為SO2提供了吸附位。在吸附位作用下，SO2被氧化成高價氧化態S。在O2下聯合脫附，在氧氣作用下材料表面NO形成含氮官能團，為SO2吸附提供吸附位。SO2被氧化為高價氧化態S，含氮官能團被還原，導致NO和NO2被釋放。

結論：

通過研究可以發現，采用活性炭纖維進行聯合脫硫脫硝，在N2中SO2和NO會對吸附位置進行爭搶，對SO2吸附能力強，材料表面形成的含氮官能團會給SO2提供吸附位置。在O2中進行聯合脫附，材料外層NO會被氧化成更多的含氮官能團，為SO2提供吸附位，促使SO2被氧化成高價S。

參考文獻：

[1]沈煒.活性炭纖維聯合脫硫脫硝的機理分析[J].能源技術與管理，2017，42（05）：145-147.

[2]李重玖，趙然，彭夢齊等.改性活性炭纖維可見光催化聯合脫硫脫硝的研究[J].燃料化學學報，2015，43（12）：1516-1522.