濕度對活性炭吸附氨氣的影響研究

摘要：活性炭是去除氨氣的有效材料，不同原材料制備的活性炭吸附性能差異較大，且濕度對活性炭吸附性能有重要影響。試驗研究不同濕度下3種活性炭的氨氣去除效果，考察最優進氣濕度下初始濃度、流量、溫度對椰殼活性炭吸附氨氣性能的影響，以期為活性炭工程應用提供參考。研究發現，3種活性炭吸附氨氣的最佳濕度均為50%；椰殼活性炭微孔結構多，比表面積大，表面含氧官能團多，有利于對氨氣的吸附；濕度較低時，水膜不足以形成，吸附效果較差；濕度較高時，孔隙結構易被堵塞，同時水分子優先在活性炭表面形成氫鍵，與氨氣分子競爭，占據活性炭表面的活性位點，導致氨氣吸附變差；活性炭更適用于處理低濃度、小流量的低溫廢氣源。

關鍵詞：活性炭；氨氣；濕度；吸附

中圖分類號：X713 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）03-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.03.007

Abstract： Activated carbon is an effective material for removing ammonia， and the adsorption performance of activated carbon prepared from different raw materials varies greatly， and humidity has a significant impact on the adsorption performance of activated carbon. This experiment studies the ammonia removal efficiency of three types of activated carbon under different humidity levels， and investigates the effects of initial concentration， flow rate， and temperature under optimal intake humidity on the ammonia adsorption performance of coconut shell activated carbon， in order to provide reference for the engineering application of activated carbon. Research has found that the optimal humidity for three types of activated carbon to adsorb ammonia is 50%; coconut shell activated carbon has multiple microporous structures， a large specific surface area， and a large number of oxygen-containing functional groups on the surface， which is conducive to the adsorption of ammonia; when the humidity is low， the water film is not sufficient to form and the adsorption effect is poor; when the humidity is high， the pore structure is easily blocked， and water molecules preferentially form hydrogen bonds on the surface of activated carbon， competing with ammonia molecules to occupy the active sites on the surface of activated carbon， resulting in poor ammonia adsorption; activated carbon is more suitable for treating low-temperature waste gas sources with low concentration and small flow rate.

Keywords： activated carbon; ammonia; humidity; adsorption

當前，惡臭問題成為公眾投訴最強烈的環境問題[1]。氨氣是一種無色、有刺激性氣味的氣體，是惡臭的主要成因之一，氨氣來源廣泛，其中農業來源占比為92%～93%[2]。此外，垃圾填埋、污水處理、工業生產、燃料燃燒等活動也會有氨氣的產生。氨氣對大氣環境、生態系統及人體健康會產生不利影響。氨氣是垃圾填埋場和豬舍最主要的惡臭來源之一。Aatamila等[3]分別對垃圾填埋場和豬舍等設施附近的居民進行情緒狀態記錄和健康狀態監測，結果表明，惡臭氣體會顯著增強居民的負面情緒，養殖場中氨氣濃度過高會導致畜禽生長緩慢、生產率下降。由此可見，氨氣治理刻不容緩。

目前，國內外常用的臭氣處理技術有吸收法、催化氧化法、生物法和吸附法等[4-5]。其中，活性炭吸附法由于其成本低、原料來源廣泛、易于制備而被廣泛應用于惡臭污染物的去除。然而，活性炭不易吸附極性分子，它對氨氣的吸附能力較低[6-7]。水分是影響活性炭吸附性能的關鍵因素[8]。Dong等[9]研究不同濕度條件下活性炭吸附CO2的性能，發現活性炭在高濕度（84.7%）下的吸附性能相較于低濕度（21.2%）下降35%。金小賢等[10]發現，濕度從30.2%升高至66.6%時，活性炭吸附容量下降71.9%。因此，有必要探討水分對活性炭吸附氨氣的影響及其競爭機制。本文以氨氣為研究對象，研究不同濕度條件下3種活性炭對氨氣吸附性能的影響，通過單因素試驗考察最優濕度條件下初始濃度、流量、溫度對椰殼活性炭吸附氨氣性能的影響規律，以期為活性炭除臭技術的工程應用與效果提升提供理論基礎與數據支持。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

選用3種活性炭作為吸附劑，其特性如表1所示。使用前，要對活性炭進行預處理。稱取適量的活性炭，用去離子水反復洗滌數次，直至出水無黑色懸浮物及其他雜質。接著，加入適量去離子水浸沒活性炭，煮沸2 h，重復操作2～3次。最后，加去離子水浸泡12 h，過濾后放入烘箱（105 ℃）烘36 h至質量恒定，取出后進行干燥處理，密封保存[11]。

1.2 試驗裝置

試驗所用動態吸附裝置如圖1所示。其中，空氣壓縮機的作用為壓縮空氣并將其輸送到整個裝置；干燥器和分子篩的作用是去除水分和二氧化碳；水蒸氣發生瓶的作用是調節進氣水分；氨氣通過制氣反應裝置內的濃氨水和氫氧化鈉反應產生；尾氣吸收瓶的吸收液為鹽酸。此裝置濕度調節依靠干燥器、分子篩、轉子流量計和水蒸氣發生瓶完成，通過調節干濕兩路氣體的流量，可以得到不同濕度的氣體。

1.3 試驗方法

經濕度調節后，兩路氣體通入制氣反應裝置，與產生的氨氣混合，通入活性炭吸附柱進行吸附試驗。試驗過程中，定期測定進口氨氣濃度C、出口氨氣濃度Ct，前期每隔3～5 min測定一次，后期每隔10 min左右測定一次。當Ct/C大于10%時，認為開始穿透；當Ct/C大于90%時，認為完全穿透。評價指標是活性炭對氨氣的吸附量，其采用式（1）進行計算。

式中：Q為活性炭吸附量，mg/g；q為氨氣流量，L/min；C為進口氨氣濃度，mg/m3；Ct為出口氨氣濃度，mg/m3；T為活性炭吸附飽和時間，min；t為活性炭實際吸附時間，min；m為活性炭的質量，g。

2 結果與討論

2.1 濕度對活性炭吸附氨氣的性能影響

3種活性炭在不同濕度下的吸附穿透曲線如圖2所示。濕度增大，3種活性炭的吸附穿透時間先增長后縮短，在濕度為50%時達到最大值。當濕度條件相同時，椰殼活性炭的吸附穿透時間最長，木質活性炭的吸附穿透時間最短。經分析，氨氣是親水性物質，當進氣濕度從0%提升至50%時，活性炭表面會形成一定厚度的水膜，促進氨氣分子在活性炭表面的吸附，表現為吸附量提高。但當進氣濕度從50%提升至100%時，活性炭表面水膜過厚，會堵塞活性炭的孔隙結構；水分子會與活性炭表面的含氧官能團結合生成氫鍵而優先吸附[10]，占據活性炭表面的活性位點，氨氣分子可占據的活性位點減少，表現為氨氣吸附量的減少。Hsieh等[12]使用H3PO4浸漬的活性炭吸附氨氣，同樣證實將水分引入NH3可提高活性炭對NH3的吸附容量。但當水分過多時，水分與氨氣存在競爭吸附，導致氨氣的吸附量減少。這與本研究的結果相符，即濕度影響活性炭吸附氨氣的效果。

最優濕度下，3種活性炭的吸附穿透曲線如圖2（d）所示。椰殼活性炭對氨氣的吸附效果最好，這是因為活性炭的吸附效果還與活性炭表面的酸堿性有關。Lee等[13]使用煤質活性炭和木質活性炭吸附硫化氫和氨氣，發現煤質活性炭的吸附效果更好，因為其具有更小的微孔孔徑，能提供更多的吸附位點。活性炭的微孔結構越多、微孔孔徑越小，能提供的吸附位點越多，對氨氣的吸附效果越好。這與Yoshihiko等[14]的研究結果一致，活性炭表面的微孔孔徑和酸性有利于氨氣的吸附。椰殼活性炭的酸度最大，為木質活性炭的2.5倍，對氨氣等堿性氣體的吸附效果最好。

2.2 最優氨氣濕度下其他因素的影響

采用椰殼活性炭作為吸附劑，氨氣濕度調節為50%，分別在不同氨氣初始濃度、不同氨氣流量及不同溫度下進行動態吸附試驗。

2.2.1 氨氣初始濃度的影響

最優濕度下，當氨氣初始濃度為38.0 mg/m3、45.6 mg/m3、60.8 mg/m3時，椰殼活性炭吸附穿透時間分別為155 min、85 min、55 min，吸附穿透曲線如圖3所示。氨氣初始濃度為38.0 mg/m3時，穿透時間最長，穿透曲線最平緩。這是因為吸附速率受吸附質濃度、活性炭孔隙結構和活性炭吸附點位的影響。初始濃度越高，椰殼活性炭對氨氣的吸附曲線越陡，原因是高氨氣初始濃度為吸附提供大的驅動力，以克服活性炭表面活性位點被占據的阻力[15]，增加氨氣分子與活性炭表面活性位點接觸的可能性。

根據式（1），氨氣初始濃度為38.0 mg/m3、45.6 mg/m3、60.8 mg/m3時，椰殼活性炭對氨氣的吸附量分別為5 974.18 mg/g、4 046.82 mg/g、3 389.83 mg/g，即隨著氨氣初始濃度增加，活性炭對氨氣的吸附量減少。這是因為活性炭表面的活性位點數量有限。當氨氣初始濃度較高時，由于高濃度氨氣的驅動力作用，密集的氨氣分子快速搶占活性炭表面的活性位點，導致部分活性位點空置。而當氨氣初始濃度較低時，氨氣分子將會緩慢占據活性炭表面的活性位點。相比前期快速占據活性炭表面的活性位點，緩慢占據有利于高效利用椰殼活性炭的活性位點，提高活性位點被占據率，表現為初始濃度較高時椰殼活性炭的總吸附量變小。

2.2.2 流量的影響

如圖4、圖5所示，隨著氨氣流量的增大，活性炭穿透時間逐漸縮短，吸附穿透曲線逐漸變得陡峭。這與氨氣初始濃度對吸附曲線的影響結果一致，由于活性炭表面的活性位點數量有限，大流量下大量氨氣分子在吸附前期快速占領活性炭表面的活性位點，活性位點被占據完畢，吸附量將不再增加。

2.2.3 溫度的影響

當溫度分別為20 ℃、26 ℃、32 ℃時，椰殼活性炭完全穿透時間分別為155 min、110 min、70 min，吸附量分別為5 974.18 mg/g、4 426.56 mg/g、2 794.97 mg/g，結果如圖6所示。溫度越高，吸附穿透時間越短，吸附曲線越陡峭，椰殼活性炭對氨氣的吸附量越小，即升溫不利于椰殼活性炭對氨氣的吸附。經分析，氨氣分子在高溫下表現出更高的化學活性，在吸附前期會快速占據活性炭的活性位點，相比低溫下緩慢占據活性位點，不利于活性位點的充分利用；氨氣分子在高溫下具有更高的內能而不易被吸附，低溫下吸附量更高。

3 結論

本研究選擇椰殼活性炭、煤質活性炭和木質活性炭作為吸附劑，氨氣作為吸附質進行吸附試驗，探究氨氣濕度及活性炭加水量對活性炭吸附性能的影響，完成最優濕度下其他影響因素的優化，并結合實際工藝分析提效方法。研究表明，椰殼活性炭、煤質活性炭和木質活性炭吸附氨氣的進氣最優濕度為50%，活性炭最優加水量為0.20 mL/g，濕度和加水量過高或過低都不利于活性炭的吸附。經分析，氨氣是親水性物質，在一定范圍內，水分提高有利于活性炭表面形成一定厚度的水膜，促進氨氣分子在活性炭表面的吸附；但當水分持續提高時，活性炭過厚的表面水膜會堵塞活性炭的孔隙結構，同時水分子會與活性炭表面的含氧官能團結合生成氫鍵而優先吸附，占據活性炭表面的活性位點，氨氣分子可占據的活性位點減少。一定范圍內，濃度越低、流量越小、吸附溫度越低，活性炭對氨氣的吸附效果越好。相較于高初始濃度或者大流量下氨氣分子前期快速占據活性炭表面的活性位點，在低濃度和小流量下緩慢占據活性炭表面的活性位點更有利于提高活性炭表面活性位點的被占據率，有利于充分利用活性炭的吸附容量。低溫情況下，氨氣分子緩慢占據活性位點，有利于活性位點的充分利用，而氨氣分子在高溫下具有更高的內能而不易被吸附。實際工程中，可通過調節臭氣濕度和活性炭加水量來提升活性炭對氨氣的吸附效果。

參考文獻

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收稿日期：2024-01-09

作者簡介：黃丹（1996—），女，江西撫州人，碩士，工程師。研究方向：惡臭及VOCs治理。

通信作者：鞠慶玲（1976—），女，上海人，高級工程師。研究方向：惡臭及VOCs治理。