基于微波热解活化的生物质活性炭制备及其脱硫性能研究
发布时间：2020-05-30 16:40
【摘要】：现代社会工业扩张带来了经济的高速发展,与此同时也使得环境污染和能源危机的问题形势越来越严峻,这对于社会的可持续发展尤为不利。煤炭利用过程中排放的SO2所引起的大气污染给环境和人类生活带来了严重影响。利用活性炭进行烟气脱硫不仅能够实现多种污染物同时脱除,而且可以将烟气中的硫进行资源化回收,这与烟气综合化处理的方向是一致的。目前,活性炭制备原料以煤炭和生物质为主,煤炭资源不可再生,而生物质资源丰富,价格低廉,具有可再生和低污染等特点,通过炭化、活化及负载改性可以制备出具有较发达孔隙结构和比表面积的生物质活性炭,对提高活性炭的脱硫性能和生物质的经济价值具有重要意义。在微波加热条件下以生物质为原料制备活性炭,可以充分发挥微波即时性、整体性、选择性和高效性的特点,简化生物质原料的预处理工序,降低预处理成本,不仅可以提高加热速率,同时还可以降低能耗,并且制备出的活性炭孔隙结构比常规加热制备得到的材料更加丰富。随着微波技术的不断发展,通过微波加热生物质制备活性炭来实现生物质资源的有效利用已经引起了国内外科研工作者的广泛关注。本文以富含含氮官能团的大豆秸秆为原料,CO2为活化剂,九水硝酸铁为催化剂前驱体,结合微波加热的特殊优势,将微波加热技术应用到生物质热解-活化-负载改性等环节,进而制备得到生物质基脱硫活性炭材料。着重进行豆秸的热解及其固体产物的活化、负载过程的研究,探索其产物分布变化规律,寻求高吸附容量、高导热系数脱硫活性炭的最优制备条件,揭示其SO2吸附特性和孔隙结构变化,并对不同条件下制备的脱硫活性炭进行了 XRD、ICP、SEM、导热系数以及再生脱硫性能的表征。首先,以大豆秸秆为原料进行微波热解实验,考察微波功率、热解时间和添加物等因素对大豆秸秆热解过程的影响;分析热解三相产物分布特性、热解炭的孔隙结构和脱硫能力;最后通过对比分析,确定最优的热解工艺为:微波功率900W,热解时间1Omin。在此条件下热解炭产率为36.3wt.%,比表面积为285.33m2/g,硫容为59.1mg/g。热解前大豆秸秆含氮官能团种类主要为酰胺类和氨基,热解后主要为酰胺类和仲胺类,而且热解后含氮官能团的特征峰明显减弱。以微波功率900W,热解时间10min得到的热解炭为原料,以CO2为活化剂进行微波活化实验,通过正交实验设计及极差分析得出最优活化水平,再通过单因素实验法考察微波功率、CO2流量和活化时间对产物得率、孔隙结构以及脱硫性能的影响,对比分析选出最优的活化工艺条件为微波功率900W,CO2流量0.1L/min,活化时间20min。在此条件下活性炭得率为76.3wt.%,SO2吸附容量为112.56mg/g。三个因素对活性炭性能影响程度大小的顺序依次为微波功率、CO2流量、活化时间。制备得到的活性炭具有较发达的孔隙结构,活性炭表面和大孔壁存在很多小孔,是硫容提高的关键原因。最后,以微波功率900W,CO2流量0.1L/min,活化时间20min条件下制备的活性炭为载体,利用微波加热进行负载改性实验。先通过正交实验设计及极差分析得出最优负载水平,再通过单因素实验法考察微波功率、负载量和焙烧时间三个因素对产物孔隙结构以及脱硫性能的影响,对比分析选出最优的负载工艺条件为催化剂负载量10wt.%,微波功率500W,焙烧时间10min,三个因素对脱硫活性炭性能影响程度大小的顺序依次为催化剂负载量、微波功率、焙烧时间。以此最优负载条件制备的脱硫活性炭比表面积为355.60m2/g,硫容为146.31mg/g。脱硫活性炭表面活性组分以小颗粒状均匀分布,而且排列着比较均匀细微的小孔,有一定量的大孔和中孔,结构具有更多的层次感,有更复杂的蜂窝状。XRD谱图分析表明,脱硫活性炭的主要活性组分是Fe3O4、Fe2O3以及部分Fe单质,其中Fe304含量最多。脱硫活性炭导热系数随着活性组分的增加而上升,从0.17W/(m·K)升至0.28W/(m·K),增长率为64.7%。脱硫活性炭再生五次后仍可保持较高的SO2吸附能力,可以循环使用。
【图文】：
１．２．１活性炭脱硫机理逡逑活性炭一般由石墨状不规则微晶以及炭氧化合物构成。活性炭具有较大的孔逡逑径分布（如图１－３％，由于表面多孔，比表面积和孔容都很大，其吸附表现良好。逡逑国际理论与应用化学联合会规定了微孔、屮孔和大孔的孔径分布，分别为直径小逡逑于２ｎｍ，，直社在２ｎｍ？５０ｎｍ之间，以及直社大ｈ５０ｎｍ。ｊ（：中微孔由于巨大的比逡逑表面积，＂丨以对材料的吸附性能产牛．巨大影响；中孔不仅可以吸附一定量的气体，逡逑Ｉ衍且还可以作为吸附质分子的通路，主要影响吸附速度；大孔对吸附过程无明显逡逑影响，一般只作为吸附分子的通道。逡逑微孔逡逑图丨－３活性炭的孔径分布逡逑３逡逑
高温惰性气体再生、高温水蒸气热解再生和水洗再生是目前应用逡逑比较多、技术比较成熟的再生方法Ｍ，就实际工程上而言，水洗和加热两种再生逡逑方式占据主导地位。这三类方式的的再生机理如图１－４所示［１８］。逡逑ＳＯ；（ｇ）邋０，（ｇ）邋Ｈ，０（ｇ）逦ＳＯ．（ｇＸＨ－Ｒ）逡逑ｓａｆｄ）邋—Ｊｓｏ＃邋Ｈ，Ｓ０邋加一？Ｈ，Ｓ０＜（ｌ）－＞Ｈ．Ｓ０ｊａｑＰ－Ｒ）逡逑＿ＬＡＣ．ｉ逡逑｜Ｃ－Ｒ逡逑ｓｏ：（ｇ，邋Ｖｓｏ』ｇ）逡逑Ｗ－Ｒ：ｗａｔｅｒ－ｓｃｒｕｂｂｍｇｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；Ｃ－Ｒ：ｃｏｍｂｉｎｅｄ逡逑ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ（ｗａｔｅｒ邋ｖａｐｏｒ邋ｂｌｏｗｉｎｇ邋ｉｎ邋ｂｅａｔｉｎｇ邋ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ）；逡逑Ｈ－Ｒ：ｈｅａｔｉｎｇｒｅｇｅｒａｔｉｏｎ逡逑图１＊４活性炭再生机理逡逑高温惰性气体再生过程会发生入下反应：逡逑Ｈ２Ｓ０４邋＋邋ＣＯ邋＋邋Ｓ０４邋＋邋Ｈ２0逦（１－１）逡逑高？n义希玻龋玻樱埃村澹澹茫掊澹茫埃插澹澹玻樱埃插澹澹玻龋玻板危ǎ保玻╁义系臀孪绿康南牧勘冉仙伲饕⑸从Γǎ保玻蔽露壬呤保从Γǎ保保╁义希靛义
本文编号：2688414
【图文】：
１．２．１活性炭脱硫机理逡逑活性炭一般由石墨状不规则微晶以及炭氧化合物构成。活性炭具有较大的孔逡逑径分布（如图１－３％，由于表面多孔，比表面积和孔容都很大，其吸附表现良好。逡逑国际理论与应用化学联合会规定了微孔、屮孔和大孔的孔径分布，分别为直径小逡逑于２ｎｍ，，直社在２ｎｍ？５０ｎｍ之间，以及直社大ｈ５０ｎｍ。ｊ（：中微孔由于巨大的比逡逑表面积，＂丨以对材料的吸附性能产牛．巨大影响；中孔不仅可以吸附一定量的气体，逡逑Ｉ衍且还可以作为吸附质分子的通路，主要影响吸附速度；大孔对吸附过程无明显逡逑影响，一般只作为吸附分子的通道。逡逑微孔逡逑图丨－３活性炭的孔径分布逡逑３逡逑
高温惰性气体再生、高温水蒸气热解再生和水洗再生是目前应用逡逑比较多、技术比较成熟的再生方法Ｍ，就实际工程上而言，水洗和加热两种再生逡逑方式占据主导地位。这三类方式的的再生机理如图１－４所示［１８］。逡逑ＳＯ；（ｇ）邋０，（ｇ）邋Ｈ，０（ｇ）逦ＳＯ．（ｇＸＨ－Ｒ）逡逑ｓａｆｄ）邋—Ｊｓｏ＃邋Ｈ，Ｓ０邋加一？Ｈ，Ｓ０＜（ｌ）－＞Ｈ．Ｓ０ｊａｑＰ－Ｒ）逡逑＿ＬＡＣ．ｉ逡逑｜Ｃ－Ｒ逡逑ｓｏ：（ｇ，邋Ｖｓｏ』ｇ）逡逑Ｗ－Ｒ：ｗａｔｅｒ－ｓｃｒｕｂｂｍｇｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；Ｃ－Ｒ：ｃｏｍｂｉｎｅｄ逡逑ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ（ｗａｔｅｒ邋ｖａｐｏｒ邋ｂｌｏｗｉｎｇ邋ｉｎ邋ｂｅａｔｉｎｇ邋ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ）；逡逑Ｈ－Ｒ：ｈｅａｔｉｎｇｒｅｇｅｒａｔｉｏｎ逡逑图１＊４活性炭再生机理逡逑高温惰性气体再生过程会发生入下反应：逡逑Ｈ２Ｓ０４邋＋邋ＣＯ邋＋邋Ｓ０４邋＋邋Ｈ２0逦（１－１）逡逑高？n义希玻龋玻樱埃村澹澹茫掊澹茫埃插澹澹玻樱埃插澹澹玻龋玻板危ǎ保玻╁义系臀孪绿康南牧勘冉仙伲饕⑸从Γǎ保玻蔽露壬呤保从Γǎ保保╁义希靛义
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