工況條件對活性炭吸附-脫附CS2的影響

建曉朋，侯興隆，許偉，劉石彩*

(1. 中國林業科學研究院林業新技術研究所，北京 100091；2. 中國林業科學研究院林產化學工業研究所，生物質化學利用國家工程實驗室，國家林業和草原局林產化學工程重點實驗室，南京 210042)

CS2是一種惡臭氣體，容易散發到大氣中發生光化學反應生成SO2，形成酸雨，污染環境。長時間接觸低濃度CS2會損害人體呼吸系統、消化系統、神經系統等，影響人體身心健康[1]。為了控制CS2排放量，我國要求CS2在當前工業尾氣排放和車間中最高容許濃度均低于10 mg/m3[2]。目前治理CS2方法有冷凝法、吸附法、催化水解法、化學吸收轉換法等[3]，其中吸附法應用廣泛，因為它工藝簡單、操作簡便、能耗低和吸附率高，也能將吸附的物質回收利用，節約成本。活性炭是一種常見的綠色吸附劑，不僅價格廉價、具有發達的孔隙結構和巨大的比表面積、化學性質穩定，而且吸附速度快、再生能力強[4]。

金國杰等[5]研究發現Bangham方程更符合活性炭吸附CS2和水蒸氣混合物的動力學行為，并且活性炭對CS2吸附量受吸附溫度影響，吸附溫度升高，吸附量降低，這與Jia等[6]研究結果一致，同時Jia等也發現當脫附溫度升高時，脫附率也提高。王倩[7]研究發現當吸附溫度為25 ℃時，活性炭對CS2的吸附率最高，達到82.6%。范明霞等[8]通過動態吸附試驗研究進口氣體流速對活性吸附CS2影響，發現控制合適的流速很重要。郝晨光[9]研究發現當處理的CS2氣體流速為5 000 m3/h、CS2含量為2 500 mg/g時，纖維狀活性炭對CS2的吸附率可達到90%以上。黃妍等[10]發現濕度對活性炭吸附CS2影響很大。

目前針對單一因素影響活性炭CS2吸附性能的研究較多，缺乏對活性炭脫附CS2性能的研究，缺乏系統研究工況條件(如溫度、流速、濃度和濕度等)對活性炭吸附-脫附CS2的影響。筆者綜合溫度、流速、濃度和濕度等工況條件，系統研究活性炭吸附-脫附CS2的影響規律，以期對工業化利用活性炭去除CS2提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

活性炭為元力活性炭股份有限公司提供的一種商用木質活性炭，柱狀顆粒，直徑約為4 mm，比表面積1 085 m2/g，表觀密度0.43 g/cm3，平均孔徑2.24 nm，總孔容0.5 cm3/g，微孔孔容0.31 cm3/g。氮氣(分析純)，南京麥克斯南分特種氣體有限公司；CS2(分析純)，南京化學試劑股份有限公司。

試驗主要儀器有：ET-93型號CS2濃度測定儀，科爾諾電子科技有限公司；DgD 3S型號質量流量控制器，南京卡佛科學儀器有限公司。

1.2 活性炭動態吸附和脫附CS2氣體的試驗裝置

測定活性炭在不同吸附溫度、流速、CS2質量濃度和濕度條件下對CS2吸附量和殘存量的試驗裝置見圖1。測量時，將一定質量的活性炭裝填至吸附管的同一刻度，記錄吸附管質量隨時間的變化，通過吸附管質量的增加，計算活性炭對CS2的吸附量；通過吸附管質量的減少，計算活性炭對CS2的殘存量。

1.氮氣瓶；2.氮氣質量流量控制器；3.CS2質量流量控制器；4.水蒸氣質量流量控制器；5.CS2發生裝置；6.水蒸氣發生裝置；7.氣體混合瓶；8.吸附管；9.緩沖瓶；10.吸收瓶；11.冷卻水。

吸附溫度調控：打開氮氣瓶開關，通過控制氮氣流量控制器，使氮氣流量為350 mL/min,打開CS2發生器開關，通過控制CS2流量控制器，使CS2流量為150 mL/min，將緩沖瓶和盛有活性炭的吸附管放在恒溫水浴鍋中，通過調節恒溫水浴鍋溫度來控制吸附溫度。

流速調控：打開氮氣瓶開關，關閉水蒸氣流量控制器，通過控制CS2流量控制器，使CS2流量為150 mL/min，調節CS2發生器溫度，通過用氮氣吹掃將CS2和氮氣進行混合保證CS2質量濃度不變，吸附溫度保持在25 ℃。

CS2質量濃度調控：打開氮氣瓶開關，通過控制氮氣流量控制器，使氮氣流量為350 mL/min, 打開CS2發生器開關，通過控制CS2流量控制器，使CS2流量為150 mL/min，通過調節CS2發生器溫度控制CS2質量濃度，用二硫化碳檢測儀測出CS2質量濃度，吸附溫度保持在25 ℃。

濕度調控：打開氮氣瓶開關，通過控制CS2流量控制器，使CS2流量為150 mL/min，控制水蒸氣發生瓶溫度控制水蒸氣流量，使得氮氣和水蒸氣流量為350 mL/min，混合氣體以500 mL/min的流量通過活性炭吸附管。用二硫化碳檢測儀測出混合氣體的濕度，吸附溫度保持在25 ℃。

1.3 活性炭吸附/脫附CS2氣體

1.3.1 CS2的吸附操作

根據國標GB/T 12496.5—1999《木質活性炭試驗方法-四氯化碳吸附率的測定》，仿照四氯化碳吸附率測定的試驗裝置，將CS2發生瓶放在容器里，通過N2將CS2發生瓶的CS2氣體吹到混合氣體瓶中，然后再通過裝有活性炭的吸附管，并每隔15 min稱量吸附管及炭樣質量，記錄吸附管及炭樣的質量隨時間的變化情況，根據重量法計算活性炭對CS2的吸附量。

活性炭樣品對CS2吸附量的計算方法如下：

(1)

式中：qt為t時刻活性炭樣品對CS2的吸附量，g/g；m0為吸附前吸附管、塞子和炭樣的質量之和，g；mt為在t時刻吸附管、塞子、炭樣和CS2的質量之和，g；mc為活性炭質量，g。

1.3.2 CS2的脫附操作

待炭樣達到吸附飽和后，關閉CS2發生器裝置，連接脫附裝置，通過N2將已吸附飽和炭樣中的CS2吹出，氮氣載氣流量為500 mL/min，脫附溫度為25 ℃，每隔15 min稱量吸附管及炭樣質量，記錄吸附管及炭樣的質量隨時間的變化情況。待脫附90 min后，記錄脫附后的吸附管總質量，以殘存量表征活性炭對CS2的脫附能力。

活性炭樣品對CS2的殘存量的計算方法如下：

(2)

式中：At為t時刻活性炭樣品對CS2的殘存量，g/g；m1為飽和吸附后吸附管、塞子、炭樣和CS2的質量之和，g；mt為t時刻吸附管、塞子、炭樣和CS2的質量之和，g；m0為吸附前吸附管、塞子、炭樣的質量之和，g。

2 結果與分析

2.1 吸附/脫附溫度對CS2吸附、脫附性能的影響

在氮氣載氣流量為350 mL/min，CS2流量為150 mL/min，CS2質量濃度為1 317 mg/m3條件下，分別測定活性炭在吸附溫度為15，25，35和45 ℃下對CS2吸附-脫附的影響，結果見圖2。

圖2 不同溫度對活性炭吸附-脫附CS2的曲線

由圖2a可知，吸附溫度為15 ℃時，活性炭對CS2飽和吸附量最大，為0.609 9 g/g；吸附溫度為25，35和45 ℃時，活性炭對CS2飽和吸附量分別為0.559 1，0.477 2和0.424 6 g/g。所以活性炭對CS2飽和吸附量隨吸附溫度的升高而降低。由圖2a還可知，當吸附溫度為25 ℃時，活性炭對CS2吸附速率最快，達到吸附平衡時間較短。當吸附溫度為15 ℃時，活性炭達到吸附平衡時間較長，吸附平衡時間為90 min；在吸附溫度為35 ℃時，活性炭對CS2飽和吸附量平衡時間為75 min；在吸附溫度為25和45 ℃時，活性炭對CS2飽和吸附量平衡時間為60 min。為了節約成本和提高工作效率，最佳吸附溫度為25 ℃。

由圖2b可知，脫附溫度為45 ℃時，活性炭對CS2殘存量最低，為0.287 8 g/g；脫附溫度為15，25和35 ℃時，活性炭對CS2殘存量分別為0.495 2，0.400 3 和0.378 3 g/g。故活性炭對CS2殘存量隨著脫附溫度的升高而降低。這是因為活性炭對CS2脫附為吸熱反應，溫度升高，反應逆向進行，其表面作用力減弱，使得CS2分子從活性炭表面脫附下來。反之升高溫度，有利于脫附進行。

2.2 氣體流速對CS2吸附、脫附性能的影響

在CS2質量濃度為1 317 mg/m3、溫度25 ℃條件下，分別測定活性炭在500，625和795 mL/min流速下對CS2吸附-脫附影響，結果見圖3。

圖3 不同流速對活性炭吸附-脫附CS2的曲線

由圖3a可知，流速為625 mL/min時，活性炭對CS2飽和吸附量最大，為0.629 4 g/g；流速為500和795 mL/min時，活性炭對CS2飽和吸附量分別為0.559 1和0.518 7 g/g；流速小于625 mL/min，活性炭對CS2飽和吸附量隨著流速的增加而增加；流速大于625 mL/min，活性炭對CS2吸附量隨著流速的增加而降低。由圖3a還可知，流速為625 mL/min時，活性炭對CS2飽和吸附量平衡時間縮短，為45 min；流速為500和795 mL/min時，活性炭對CS2飽和吸附量平衡時間為75 min。由此可見，適當增加流速不僅能提高活性炭對CS2飽和吸附量，也能縮短吸附平衡時間，提高吸附效率。流速過大，導致易揮發的CS2沒有被活性炭充分吸附，不利于吸附進行[11]。

由圖3b可知，流速為625 mL/min時，活性炭對CS2殘存量最低，為0.384 2 g/g；流速為500和795 mL/min時，活性炭對CS2殘存量分別為0.400 3和0.467 4 g/g。由此可知，流速小于625 mL/min，活性炭對CS2殘存量隨著流速的增加而降低；當流速大于625 mL/min，活性炭對CS2殘存量隨著流速的增加而增加。因此，流速過大也不利于脫附進行。

2.3 CS2質量濃度對CS2吸附、脫附性能的影響

在氮氣載氣流量為350 mL/min、CS2流量為150 mL/min、溫度25 ℃條件下，分別測定活性炭在CS2質量濃度為1 317，1 643和2 092 mg/m3時對CS2吸附-脫附影響，結果見圖4。

由圖4a可知，CS2質量濃度為2 092 mg/m3時，活性炭對CS2飽和吸附量最大，飽和吸附量為0.669 9 g/g；質量濃度為1 317和1 643 mg/m3時，活性炭對CS2飽和吸附量分別為0.559 1和0.626 0 g/g。所以活性炭對CS2飽和吸附量隨著CS2質量濃度增加而增加，這說明當吸附流速一定時，活性炭對CS2的吸附量與其濃度成正比，這可能是因為高濃度的CS2使得吸附外部擴散力增大，使得CS2在活性炭中吸附量增大[12]。由圖4a還可知，當CS2質量濃度為2 092 mg/m3時，活性炭對CS2吸附速率最快，達到吸附平衡時間為30 min；當質量濃度為1 317和1 643 mg/m3時，活性炭對CS2飽和吸附量平衡時間為90和60 min。由此可見，適當增加CS2質量濃度不僅能提高活性炭對CS2的飽和吸附量，也能縮短達到吸附平衡時間，提高吸附效率。

圖4 不同質量濃度對活性炭吸附-脫附CS2的曲線

由圖4b可知，CS2質量濃度為2 092 mg/m3時，活性炭對CS2殘存量最低，為0.394 2 g/g；CS2質量濃度為1 317和1 643 mg/m3時，殘存量分別為0.400 3 和 0.421 3 g/g。由此可見，當CS2質量濃度小于1 643 mg/m3時，活性炭對CS2殘存量隨著CS2質量濃度的增加而增加；大于1 643 mg/m3，活性炭對CS2殘存量隨著CS2質量濃度的增加而降低。可見，較大的CS2濃度有利于活性炭對CS2脫附。

2.4 氣流濕度對對CS2吸附、脫附性能的影響

CS2流量為150 mL/min，CS2質量濃度為1 317 mg/m3，溫度為25 ℃條件下，分別測定活性炭在濕度分別為干燥狀態、25%和50%情況下對CS2吸附-脫附影響，結果見圖5。

由圖5a可知，在干燥狀態時，活性炭對CS2飽和吸附量最大，為0.559 1 g/g；在濕度為25%和50%時，活性炭對CS2飽和吸附量分別為0.548 2和0.519 4 g/g。由此可得，活性炭對CS2飽和吸附量隨著濕度增加而降低。濕度增加，不利于活性炭對CS2吸附，這與王稚真等[13]研究結果一致。這可能是因為水蒸氣的存在影響了活性炭對CS2的吸附，由于水蒸氣比CS2分子小，更容易擴散，故活性炭先選擇吸附水蒸氣。當活性炭吸附水蒸氣后，活性炭的有效吸附體積減小。同時由于二硫化碳是非極性分子，吸附水蒸氣的活性炭表面特性被改變，所以降低了活性炭對CS2的吸附量[14-15]。由圖5a還可知，在干燥狀態時，活性炭對CS2吸附速率最快。低濕狀態與干燥狀態相比，活性炭對CS2的吸附量影響不是很大。

由圖5b可知，在干燥狀態時，活性炭對CS2殘存量最低，為0.400 3 g/g；當濕度為25%和50%時，活性炭對CS2殘存量分別為0.422 1和0.436 6 g/g。由此可見，活性炭對CS2殘存量隨著濕度的增加而增加。因此，濕度增加不利于脫附進行。

2.5 最佳工藝條件

綜合上述研究結論可以發現：吸附溫度、氣體流速、CS2濃度和濕度等工況條件對活性炭CS2吸附量和殘存量均有較大影響，其中CS2質量濃度對吸附的影響最大，而脫附殘存量主要與吸附溫度和CS2質量濃度有關。為實現活性炭高效吸附和脫附，最佳工藝條件為：干燥狀態下，吸附溫度25 ℃，流速小于625 mL/min，CS2質量濃度為1 643 mg/m3。

3 結 論

1)活性炭對CS2吸附量和殘存量隨著溫度升高而降低。升高溫度，不利于吸附進行，有利于脫附進行。當流速小于625 mL/min，活性炭對CS2吸附量隨著流速的增加而增加，殘存量隨著流速的增加而降低；當流速大于625 mL/min，活性炭對CS2吸附量隨著流速的增加而降低，殘存量隨著流速的增加而增加。

2)活性炭對CS2吸附量隨著CS2質量濃度增加而增加。但當CS2質量濃度小于1 643 mg/m3時，殘存量隨著CS2質量濃度的增加而增加；大于1 643 mg/m3，殘存量隨著CS2質量濃度的增加而降低。活性炭對CS2吸附量隨著濕度的增加而降低，殘存量隨著濕度增加而增加。

3)在干燥狀態下，活性炭對CS2吸附量最大。吸附溫度、氣體流速、CS2質量濃度和濕度等工況條件對活性炭CS2吸附量和殘存量均有較大影響，其中CS2質量濃度對吸附的影響最大，而脫附殘存量主要與吸附溫度和CS2質量濃度有關。

由于在實際工業應用中，不同的操作條件很大程度影響活性炭對氣體的吸附及脫附性能，為了提高活性炭的高效吸附和脫附性能，活性炭對CS2吸附最佳工藝條件為：干燥狀態下，吸附溫度25 ℃，流速小于625 mL/min，CS2質量濃度1 643 mg/m3。這為實際工業應用提高活性炭吸附、脫附CS2效率提供了理論基礎。