活性炭孔結構對脫硫脫硝性能的影響
1、比表面積
有關孔容和比表面積對活性炭的脫硫性能及硫容的影響的研究很多,其影響結果也不盡相同。
使用水蒸氣在850-950℃下活化制備了一系列比表面積的煤質活性焦,使用含SO2 2000ppm的模擬煙氣,在5000h-1的空速下進行脫硫研究,發現硫容與總比表面積和孔容均沒有關聯,但是與微孔比表面積呈現良好的相關性,微孔比表面積較大的活性焦的硫容也呈現出較大值;作者認為微孔是發生脫硫反應的主要場所,脫硫后活性焦微孔容積相比原活性焦減少0.0115cm3/g,證明脫硫之后SO2被氧化成SO3儲存在微孔中。
在微波再生過程中C與生成的H2SO4反應造成的碳燒失使得比表面積及孔容增大,300W和400W再生功率下循環17次后碳燒失率分別為19%和27.8%(質量分數),比表面積由最初的524.9m2·g-1上升到721.2m2·g-1,硫容由70mg·g-1上升到了85mg·g-1。
在較高的進氣濃度和較低的吸附溫度下,活性炭的微孔比表面積與SO2吸附量的線性相關系數較大,說明在此條件下SO2的吸附量主要受到微孔的影響,而在低進氣濃度和較高的吸附溫度下,SO2吸附量不僅與微孔相關,還與SO2進氣濃度和床層反應溫度有關。
2、孔體積及孔分布
活性炭的孔結構與比表面積可以對脫硫脫硝起到一定的影響。在活性炭的吸脫附過程中,中孔作為傳質通道,微孔作為儲存場所。
使用椰殼活性炭在30℃下同時吸附H2S(體積分數2%)和SO2(體積分數1%),空速237.7h-1,出口的總硫量可以降低至10mg/m3,吸附的氣體量折合成單質硫來計算,在此條件下每克活性炭可吸附64.27mg硫單質,研究發現0.5nm左右的微孔是吸附的主要活性位,中孔對深度脫硫并沒有太大貢獻。
分別使用椰殼和煤制備了一系列孔隙結構的活性炭并于120℃下進行脫硫,整體上看來,孔隙結構發達的樣品具有較高硫容,但是硫容與孔容并不呈線性關系,而在500-800m2/g區間內,比表面積與硫容呈一定的線性關系,作者認為在活性位的數量相當的情況下,大的比表面積有利于活性位的均勻分布,也增加了反應物的擴散區域,因而更能有效利用作為存儲空間的孔容。
使用活性炭纖維(ACF)探究了孔分布對活性炭脫硫的影響,發現ACF初始吸附速率與孔徑成反比,而總吸附量是由孔徑和孔體積共同決定的;高溫處理可以增大孔體積,從而提高SO2的吸附量,其中1000℃熱處理的ACF表現出了最高的吸附量。
使用ZnCl2活化法制備了一系列廢茶活性炭,具有最大的比表面積(1485m2/g)的樣品吸附脫硫性能反而較差,微孔孔徑增加降低了微孔的吸附勢能,不利于活性炭對SO2的吸附,相對而言孔徑在0.7nm左右的樣品脫硫效果更好。
在較高進氣濃度和低吸附溫度時,活性炭的總孔容與吸附量呈較好的線性關系,吸附溫度298K,進氣濃度75000mg/m3時,線性相關系數達到最大值0.9578。而進氣濃度較低,吸附溫度較高時,活性炭孔容的利用率相對較低,總孔容與SO2吸附量的線性相關系數較小。
豐富的孔結構以及強吸附性是活性炭應用于脫硫脫硝的前提,但是總體而言脫除效果與比表面積和孔徑并不一定成正比。活性炭對SO2的吸附性能以及對NO的催化性能受到多方因素的綜合影響,除去孔結構,活性炭的表面化學性質也起到了重要的作用。