改性活性炭對煙氣中CO2吸附性能的影響

郭慧嫻，李水娥，張 勇，劉小勇，王 超，彭 簫，劉富勤

(1.貴州大學 材料與冶金學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省冶金工程與過程節(jié)能重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

目前，CO2的捕獲方法有吸收法[7]、吸附法[8]、膜分離法[9-10]、低溫法[11]及利用酶和藻類的生物法[12]。其中，活性炭吸附法因設(shè)備簡單、操作簡便、效率高而被廣泛應用。活性炭的吸附性主要取決于內(nèi)部發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)(物理吸附)和多樣的表面官能團(化學吸附)[13]。活性炭的物理吸附主要依靠2 nm以下的微孔，當微孔吸附的氣體達到飽和時便失去吸附能力，而在其表面添加官能團可以提高其吸附能力。在N2、H2中用氨溶液對活性炭進行還原改性，可使活性炭的碳元素和氮元素含量增加，氧元素含量降低，表面堿性官能團數(shù)量增加，對CO2的吸附能力得以提高[14]。用NaOH、CH6ClN3、C3H6N6、C2H8N2對活性炭進行改性，可以制備出具有一定堿性交換容量的活性炭，其對CO2的吸附能力均有所提高，其中NaOH改性所得堿性活性炭的吸附效果最好[15]。用NaOH浸漬活性炭并用改性活性炭在固定床柱吸附系統(tǒng)中吸附CO2，在氣體流速90 mL/min、吸附劑負載量3.0 g、CO2體積分數(shù)15%、吸附溫度35 ℃條件下，改性活性炭對CO2最高吸附量達27.10 mg/g，比改性前提高了1.5倍[16]。試驗選用堿性試劑中分子量較小、不易堵塞活性炭微孔的NaOH作改性劑，在盡可能不破壞活性炭孔結(jié)構(gòu)前提下提高活性炭對CO2的吸附量。

1 試驗部分

1.1 試驗原料與設(shè)備

NaOH，分析純，滄州凱德利化工產(chǎn)品有限公司；活性炭，分析純，天津市光復科技發(fā)展有限公司；CO2(純度99%)、N2(純度99%)，貴陽林誠氣體公司。

吸附柱：玻璃管，內(nèi)徑7 mm，長度150 mm。

1.2 活性炭改性

稱取適量活性炭，用純水多次攪拌洗滌至洗滌液不渾濁，然后放入110 ℃烘箱中干燥10 h，冷卻至室溫后備用。取一定量5 mol/L NaOH溶液與經(jīng)過清洗干燥的活性炭一起放入燒杯中，用磁力加熱攪拌器在不同溫度下緩慢攪拌一定時間，冷卻后用純水反復洗滌至濾液呈中性，最后放入110 ℃干燥箱中干燥一段時間后冷卻備用。

1.3 改性活性炭吸附CO2

圖1為改性活性炭吸附CO2試驗裝置示意。

1—CO2氣體鋼瓶；2—N2氣體鋼瓶；3—減壓閥；4—氣體轉(zhuǎn)子流量計；5—氣體緩沖瓶；6—吸附柱；7—CO2紅外分析儀。圖1 改性活性炭吸附CO2試驗裝置示意

燃煤煙氣的主要成分為N2、CO2、O2、SO2，另有少量NOx、煙粉塵，經(jīng)脫硝、除塵、脫硫后，主要成分為N2、CO2、O2。其中N2、O2對CO2吸附過程的影響可以忽略不計，CO2體積分數(shù)為5%～20%。試驗所用煙氣CO2體積分數(shù)為10%。

試驗時，CO2與N2在氣體緩沖瓶中充分混合后通過裝有50 g活性炭的吸附柱。每隔一定時間在吸附柱進/出口各測定并記錄CO2體積分數(shù)，直到出口CO2體積分數(shù)接近入口體積分數(shù)時，停止進氣。CO2吸附量(q，mmol/g)計算公式為

式中：m—吸附劑質(zhì)量，g；t—吸附時間，min；Q—吸附柱氣體流量，mmol/min；φ1、φ2—吸附柱進、出口CO2體積分數(shù)，%。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 改性劑用量對活性炭改性的影響

活性炭質(zhì)量50 g，改性溫度60 ℃，改性時間4 h，干燥時間6 h，改性劑用量對改性活性炭吸附CO2的影響試驗結(jié)果如圖2所示。

AC—未改性活性炭；A1—改性劑用量100 mL；A2—改性劑用量120 mL；A3—改性劑用量140 mL；A4—改性劑用量160 mL。

2.2 改性時間對活性炭改性的影響

活性炭質(zhì)量50 g，改性劑用量140 mL，改性溫度60 ℃，干燥時間6 h，改性時間對改性活性炭吸附CO2的影響試驗結(jié)果如圖3所示，可以看出：改性活性炭對CO2吸附量隨改性時間延長先提高后降低，表明改性時間過長或過短都不利于活性炭表面改性；改性時間為6 h時，改性活性炭對CO2吸附量達到最高，為3.35 mmol/g；改性時間超過6 h，NaOH腐蝕活性炭孔道嚴重，影響改性效果[18]，使其對CO2的吸附量減少。綜合考慮，確定最佳改性時間為6 h左右。

AC—未改性；B1—改性時間2 h；B2—改性時間4 h；B3—改性時間6 h；B4—改性時間8 h。

2.3 改性溫度對活性炭改性的影響

活性炭質(zhì)量50 g，改性劑用量120 mL，改性時間4 h，干燥時間6 h，改性溫度改性活性炭吸附CO2的影響試驗結(jié)果如圖4所示。

AC—未改性活性炭；C1—改性溫度50 ℃；C2—改性溫度60 ℃；C3—改性溫度70 ℃；C4—改性溫度80 ℃。

由圖4看出：隨改性溫度升高，改性活性炭對CO2吸附量先升高后降低；在70 ℃時吸附量達最高，為3.47 mmol/g。改性后活性炭表面含有堿基官能團，繼續(xù)升溫，改性劑分子和活性炭表面官能團動能過高，部分有效堿基官能團脫離活性炭表面[19]，使改性效果降低。綜合考慮，確定最佳改性溫度為70 ℃。

2.4 干燥時間對活性炭改性的影響

活性炭質(zhì)量50 g，改性劑用量120 mL，改性時間4 h，改性溫度60 ℃，干燥時間對改性活性炭吸附CO2的影響試驗結(jié)果如圖5所示。

AC—未改性活性炭；D1—干燥時間4 h；D2—干燥時間6 h；D3—干燥時間8 h；D4—干燥時間10 h。

由圖5看出：隨干燥時間延長，改性活性炭對CO2的吸附量降低，這是因為干燥時間會直接影響改性劑中水分含量，適當水量有利于提高氣體吸附相濃度，從而提高其對CO2的吸附量[18]；干燥4 h時，改性活性炭對CO2吸附量最高，達3.45 mmol/g；干燥時間超過4 h后，改性活性炭中含水量大幅降低，不利于活性炭吸附CO2。綜合考慮，確定最佳干燥時間為4 h。

3 結(jié)論

以NaOH浸漬改性活性炭可明顯提高活性炭對CO2的吸附性能。適宜條件下，改性活性炭對CO2的吸附量可達3.50 mmol/g，是未改性活性炭對CO2吸附量的3.9倍，吸附效果提高顯著。以NaOH為改性劑浸漬改性活性炭，方法簡單易行，改性效果較好。