活性炭對低沸點總烴氣體吸附和解吸的影響

　　石化廠的產品儲存設施中會產生C2至C18之間的多種碳氫化合物，其中丙烯和乙烯分別占石化廠THC排放量的第一大和第二。這兩種氣體在塑料生產過程中用作單體或共聚單體，所生產產品的儲存設施預計也會出現類似的趨勢。通常采用的去除工藝包括濕式洗滌器、通過火炬煙囪的開放燃燒以及使用吸附劑吸附來控制石化廠產生的THC，而且吸附系統是處理乙烯和丙烯等低沸點THC氣體的最合適技術之一。在這項研究中，我們選擇了能夠有效吸附石化儲存設施中總碳氫化合物THC的材料，并應用四種類型的活性炭來吸附THC以評估其特性。

　　吸附和解吸實驗

　　使用直徑3cm、高20cm的石英反應器，反應器內安裝床并填充活性炭。對于吸附實驗，在總進料濃度為100ppm的條件下，將5g活性炭放入石化反應器中，THC流量為100mL/min。空速取決于活性炭的密度，在0.014-0.158s-1范圍內變化。使用火焰離子化檢測器對通過活性炭的氣體進行實時定量分析。THC的氣味閾值和刺激水平在十億分之一的水平，吸附劑的總吸附能力很難用作從石化儲存設施中去除THC廢氣的設備的設計因素。因此，我們檢測并計算了突破點處小于1ppm的有效吸附容量。當達到有效吸附時停止吸附實驗，然后立即開始有效解吸反應。使用相同的反應器和方法進行解吸反應。吸附和解吸反應在室溫(25℃)和大氣壓下進行。在室溫下以100mL/min的速率釋放氮氣，對通過反應器的氣體進行定量分析。

　　活性炭的特性

　　一般來說，吸附劑的比表面積和孔隙特性對吸附容量影響很大。因此，我們希望通過活化來改變吸附劑的比表面積和孔隙特性。煤質活性炭和果殼活性炭在化學活化后比表面積和孔體積大幅增加，微孔體積增加>2倍。與外部孔體積恒定(尺寸<2nm)相比，外部孔體積增加了>3倍。使用掃描電子顯微鏡分析表明，碳織構和孔隙度的發展受到化學活化特性的影響，如圖1所示。兩種具有相似的形態，表面光滑，無孔。活化后，活性炭產生更粗糙的紋理，具有異質表面和增加的隨機分布孔徑。原材料和活化材料在活化時的比較顯示了它們的表面特性。此外，我們還使用EDS分析了作為吸附劑的表面活性炭上的碳(C)、氧(O)和鉀(K)原子。表面的元素和原子如圖1所示。從結果來看，兩種活性炭的碳比分別為97.26和96.55。化學活化后，通過增加碳密度來提高他們的碳比。化學活化后的洗滌過程減少了無機成分鉀。

　　圖1：(a)碳化果殼、(b)煤炭、(c)果殼活性炭和(d)煤質活性炭的SEM圖像和EDS分析的元素比例。

　　活性炭的吸附特性

　　將四種活性炭應用于低沸點混合氣體吸附的結果如圖2所示。無論活化如何，棕櫚基活性炭都表現出比煤基活性炭更高的吸附能力。對于棕櫚基活性炭和煤基活性炭來說，失活狀態更有利于吸附。考慮到活化后比表面積增加，觀察到比表面積對低沸點THC氣體的吸附能力沒有顯著影響。吸附容量(吸附劑的固有特性)會因吸附位點數量的減少或解吸反應的促進而降低。因此，材料的吸附能力會由于吸附位點數量的減少或由于活化過程后活性炭表面上的孔徑分布的變化而加速解吸反應而降低。因此，應研究影響這兩種可能性之間的有效吸附能力的因素。

　　圖2：低沸點氣體吸附實驗結果(吸附劑5g，進料氣體濃度：100ppm，吸附流量：100mL/min，吸附溫度：25℃)。

　　由于其結構特征，碳氫化合物的吸附取決于吸附劑表面的極性。特別是對于石化儲存設施中產生的低沸點氣體中占很大比例的乙烯和丙烯等烯烴，吸附在極化吸附劑表面上占主導地位。活性炭表面的極性程度受表面氧官能團的鍵合狀態和數量的影響。然而，盡管本研究中表面氧的數量總體增加，但活化后吸附容量卻降低。因此，表面氧基團并不是增加吸附容量的主要因素。

　　活性炭的解吸特性

　　活性炭表面微孔體積與外部孔體積之比越高，解吸反應就越困難，因為已吸附的氣體必須通過復雜而長的通道釋放。相反，較低對應于表面上較大體積的大直徑孔。即使吸附物被深深地吸附到活性炭表面，解吸反應也可以沿著寬闊而簡單的通道輕松快速地進行。也就是說，活性炭表面的比率越高，解吸反應受到的抑制程度就越大，從而導致吸附容量越高。

　　結果表明，隨著解吸通道變得更寬和更簡單，活化通過降低吸附容量來促進解吸反應。為了解釋低沸點THC依賴于孔隙，對解吸進行了建模，如圖3所示。比率越高，對應的吸附容量越高;它表示活性炭表面孔徑分布與低沸點氣體有效吸附能力之間的相關性。低沸點氣體在吸附過程中被強烈解吸，并且由于活化過程中促進解吸反應的表面性質的變化，吸附能力可能下降。

　　圖3：根據活性炭表面孔隙特征的解吸反應示意圖(點：吸附質，箭頭：解吸反應)。

　　進料氣體的影響

　　在本研究中的吸附劑中，果殼活性炭對四種低沸點THC氣體表現出最高的有效吸附能力。在現場條件下，使用低沸點和高沸點混合THC氣體。這里描述的實驗是在不同的進料條件下進行的，如下：(1)100ppm甲烷(bp-162℃)，(2)100ppm低沸點THC(乙烯bp-103.7℃，乙烷bp)-89℃，丙烯沸點-47.6℃，丙烷沸點-42℃)，以及混合THC，包括30ppm己烷(沸點69℃)和70ppm低沸點THC，在果殼活性炭下進行100毫升/分鐘。如圖4所示，甲烷、低沸點THCs和混合THCs的有效吸附容量分別為0.0462mg/g、0.072mg/g和2.884mg/g。這些結果表明沸點與有效吸附容量成反比。

　　圖4：吸附物的解吸速率(吸附劑5g，進料氣體濃度：100ppm，吸附流量：100mL/min，吸附溫度：25℃)。

　　活性炭對低沸點總烴氣體吸附和解吸的影響，我們研究了能夠有效吸收石化產品儲存設施中產生的低沸點氣體(即乙烯、乙醇、丙烯和丙烷)的材料的特性。低沸點氣體具有極低的吸附/解吸能。因此，吸附和解吸反應同時發生。為了提高低沸點THCs的吸附能力，需要選擇既能促進吸附又能抑制解吸的吸附劑。因此，我們比較了果殼活性炭和煤質活性炭的吸附能力，并研究了它們在化學活化前后的表面特性。我們進一步研究了活性炭表面的氧是否可以作為吸附反應中的吸附位點。然而，沒有發現與低沸點氣體的吸附能力的相關性。暴露在外表面的大孔和與之相連的中孔作為吸附劑的通道，微孔是主要的吸附位點。因此，比率對于吸附至關重要。我們發現隨著比率的增加，吸附容量呈增加趨勢。由于其材料特性，果殼活性炭表面微孔豐富，外部孔隙很少。因此，吸附的低沸點氣體必須通過復雜而長的通道解吸，這抑制了解吸反應并增加了吸附容量。這些結果與之前發表的報告一致，表明吸附能力取決于孔徑的分布，而不是多孔碳的比表面積。

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