摘要：以煙煤為原料，采用氣體活化法制備活性炭，并將其用于煙氣脫硫。制備活性炭的較佳工藝條件：碳化溫度為600℃；碳化時(shí)間為1.0h；活化溫度為900℃；活化時(shí)間為1.5h；水蒸氣流量為406mL/min。活性炭的硫容隨SO₂、O₂和水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)的增加而增加；隨反應(yīng)器床層溫度升高，活性炭的硫容先升高后下降。在床層溫度為80℃，SO₂、O₂和水蒸氣體積分?jǐn)?shù)分別為0.5%、5.0%和12.0%，N₂為載氣的條件下，活性炭的硫容較大，為72.3mg/g。

燃煤排放的SO₂是形成“酸雨”的主要原因之一，會(huì)給環(huán)境造成嚴(yán)重污染，同時(shí)，煙氣中的SO₂是生產(chǎn)硫酸、化肥和其他一系列重要化學(xué)品的基本原料，是一種不可忽視的硫資源�；钚蕴扛煞�脫硫工藝具有脫硫過(guò)程耗水量少、無(wú)二次污染、脫硫后煙氣溫度高硫便于回收等優(yōu)點(diǎn)，目前已受到廣泛應(yīng)用。與木質(zhì)和果殼活性炭相比，煤質(zhì)活性炭具.有原料來(lái)源廣、 價(jià)格低、易再生、抗磨損等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水處理、溶劑回收、脫色凈化、氣體分離及氣體凈化等領(lǐng)域。

本工作以煙煤為原料，采用氣體活化法制備活性炭，并將其用于煙氣脫硫，效果良好。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料、試劑和儀器

煙煤取自山西省某煤礦，其工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水。

表1 煙煤的工業(yè)分析與元素分析結(jié)果

工業(yè)分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）				元素分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）
水分	灰分	揮發(fā)分	固定碳	C	H	O	N	S
3.15	11.31	25.56	59.98	73.44	3.76	10.23	1.01	0.25

SK-2-10型高溫管式電阻爐：南京電爐廠；

BS-210S型電子分析天平：德國(guó)Sartorius公司；101-1AB型電熱鼓風(fēng)干燥器；天津市泰斯特儀器有限公司；SY-9302B型質(zhì)量流量計(jì)；北京圣業(yè)科技發(fā)展有限公司；XMT型數(shù)顯調(diào)節(jié)儀；浙江余姚長(zhǎng)江溫度儀表；ASAP2000M型比表面積分析儀；美國(guó)Micromertics公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 活性炭的制備

將煙煤粉碎至0.4~0.6mm，在110℃條件下干燥12h后置于管式電爐中，N₂氣氛下，在一定溫度下碳化一定時(shí)間，然后將碳化產(chǎn)物在一定的水蒸氣流量下活化一定時(shí)間，得到活性炭。

1.2.2 煙氣脫硫

煙氣脫硫?qū)嶒?yàn)在內(nèi)徑12mm、長(zhǎng)300mm的固定床反應(yīng)器中進(jìn)行。將活性炭置于固定床反應(yīng)器中，然后加熱固定床反應(yīng)器至實(shí)驗(yàn)溫度，通入模擬煙氣，當(dāng)固定床反應(yīng)器進(jìn)、出口SO₂體積分?jǐn)?shù)無(wú)變化時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。模擬煙氣組成（體積分?jǐn)?shù)）：SO₂0.1%~0.9%、O22%~12%、水蒸氣2%~12%其余為N₂。

1.3 分析方法

采用碘量法測(cè)定煙氣中SO₂的體積分?jǐn)?shù)。硫容為活性炭煙氣脫硫?qū)嶒?yàn)停止時(shí)，單位質(zhì)量活性炭吸附的SO₂質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 制備條件對(duì)硫容的影響

2.1.1 碳化溫度對(duì)硫容的影響

在碳化時(shí)間為1.0h、活化溫度為900℃、活化時(shí)間為1.5h、水蒸氣流量為406mL/min的條件下，碳化溫度對(duì)硫容的影響見(jiàn)圖1。

由圖1可見(jiàn)，碳化溫度為600℃時(shí)，硫容很大。碳化溫度過(guò)低，揮發(fā)份析出較少，活性炭的空隙度不夠，硫容減��；碳化溫度過(guò)高，縮聚加劇，活性炭的結(jié)構(gòu)變得致密，使活性炭的反應(yīng)活性降低，硫容減小。本實(shí)驗(yàn)較佳碳化溫度為600℃。

2.1.2 碳化時(shí)間對(duì)硫容的影響

在碳化溫度為600℃、活化溫度為900℃、活化時(shí)間為1.5h、水蒸氣流量為406mL/min的條件下，碳化時(shí)間對(duì)硫容的影響見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)：開(kāi)始碳化的1.0h內(nèi)，硫容加大；延長(zhǎng)碳化時(shí)間，硫容略有減小。本實(shí)驗(yàn)較佳碳化時(shí)間為1.0h。

2.1.3 活化溫度對(duì)硫容和活性炭得率的影響

在碳化溫度為600℃、碳化時(shí)間為1.0h、活化時(shí)間為1.5h、水蒸氣流量為406mL/min的條件下，活化溫度對(duì)硫容和活性炭得率的影響見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)：隨活化溫度升高，反應(yīng)活性提高，在相同活化時(shí)間內(nèi)反應(yīng)掉的碳的質(zhì)量增加，活性炭的得率降低；活化溫度為900℃時(shí)，硫容大；繼續(xù)升高活化溫度，硫容增加量很少且活性炭得率下降。綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)碳化產(chǎn)物的較佳活化溫度為900℃。

2.1.4 活化時(shí)間對(duì)硫容和活性炭得率的影響

在碳化溫度為600℃、碳化時(shí)間為1.0h、活化溫度為900℃、水蒸氣流量為406mL/min的條件下，活化時(shí)間對(duì)硫容和活性炭得率的影響見(jiàn)圖4。

由圖4可見(jiàn)：隨活化時(shí)間的增加，活性炭得率下降；活化時(shí)間為1.5h時(shí)，硫容大；綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)碳化產(chǎn)物的較佳活化時(shí)間為1.5h。

2.1.5 水蒸氣流量對(duì)硫容和活性炭得率的影響

在碳化溫度為600℃、碳化時(shí)間為1.0h、活化溫度為900℃、活化時(shí)間為1.5h的條件下，水蒸氣流量對(duì)硫容和活性炭得率的影響見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，隨水蒸氣流量增加，活性炭得率下降,，硫容增加；水蒸氣流量為406 mL/min時(shí)，硫容很大；繼續(xù)增加水蒸氣流量，水蒸氣繼續(xù)與活性炭反應(yīng)，使活性炭部分孔結(jié)構(gòu)坍塌，致使硫容減小。因此，較佳水蒸氣流量為406mL/min。

表2 水蒸氣流量對(duì)活性炭得率和硫容的影響

水蒸氣流量/（mL·min-1）	活性炭得率，%	硫容/（mL·min-1）
156	66.4	48.1
288	58.5	60.2
406	53.2	65.8
528	37.2	64.1

2.2 脫硫工藝條件對(duì)硫容的影響

2.2.1 SO₂體積分?jǐn)?shù)對(duì)硫容的影響

在反應(yīng)器床層溫度為100℃、水蒸氣體積分?jǐn)?shù)為12%、O₂體積分?jǐn)?shù)為5%、N₂為載氣的條件下，SO₂體積分?jǐn)?shù)對(duì)硫容的影響見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，隨SO₂體積分?jǐn)?shù)增加，硫容增加，因?yàn)闊煔庵蠸O₂的體積分?jǐn)?shù)越大，其擴(kuò)散推動(dòng)力就越大，從氣相向活性炭表面的擴(kuò)散速率也越快，從而增加了活性炭的硫容。

2.2.2 O₂體積分?jǐn)?shù)對(duì)硫容的影響

在反應(yīng)器床層溫度為100℃、SO₂體積分?jǐn)?shù)為0.5%、水蒸氣體積分?jǐn)?shù)為12%、N₂為載氣的條件下，O₂體積分?jǐn)?shù)對(duì)硫容的影響見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，硫容隨O₂體積分?jǐn)?shù)的增加而增大加。當(dāng)O₂體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，O₂在活性炭表面吸附的推動(dòng)力較低， 吸附速率較低，被吸附的O₂量較少，SO₂的催化氧化就會(huì)受到限制，從而導(dǎo)致硫容相對(duì)較小，而當(dāng)O₂體積分?jǐn)?shù)升高時(shí)，促進(jìn)了SO₂在活性炭表面的催化氧化，硫容相應(yīng)增加。

2.2.3 水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)硫容的影響

在反應(yīng)器床層溫度為100℃、SO₂體積分?jǐn)?shù)為0.5%、O₂體積分?jǐn)?shù)為5%、N₂為載氣的條件下，水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)硫容的影響見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)，隨水蒸氣體積分?jǐn)?shù)增加，硫容增加。一般而言，在活性炭的干燥表面上有利于SO₂與O₂發(fā)生氧化反應(yīng)生成SO₃，而活性炭微孔中吸附的水分有利于產(chǎn)物H₂SO₄的生成及轉(zhuǎn)移，即活性炭微孔中的水分有助于SO，從其表面活性位上解離，使活性位釋放出來(lái)，從而使吸附得以繼續(xù)。當(dāng)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，將導(dǎo)致活性炭表面干燥過(guò)快，影響產(chǎn)物H₂SO₂的生成和轉(zhuǎn)移；當(dāng)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)增加時(shí)，活性炭微孔表面吸附水的濃度增加，因此生成H₂SO，的速率加快，當(dāng)生成的H₂SO₄較多時(shí)，被吸附的水同時(shí)作為一種洗脫劑將吸附的H₂SO₄洗掉，并將其儲(chǔ)存在活性炭的孔內(nèi)，從而釋放活性位，促進(jìn)脫硫反應(yīng)的進(jìn)行，提高活性炭的硫容。

2.2.4 反應(yīng)器床層溫度對(duì)硫容的影響

在SO₂、O₂和水蒸氣體積分?jǐn)?shù)分別為0.5%、5%和12%，N₂為載氣的條件下，反應(yīng)器床層溫度對(duì)硫容的影響見(jiàn)圖8。

由圖8可見(jiàn)：隨反應(yīng)器床層溫度升高，硫容先增大后減小。這是因?yàn)椋�各組分在活性炭上的吸附首先是物理吸附，然后才能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)吸附，較高的床層溫度不利于物理吸附。床層溫度為80℃時(shí)的硫容很大，達(dá)到72.3 mg/g，60℃次之，因?yàn)?0℃時(shí)的水蒸氣容易冷卻形成水膜，附著在活性炭表面而阻礙氣體向活性炭?jī)?nèi)部的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致硫容減小。

3 結(jié)論

a) 以煙煤為原料，采用氣體活化法制備活性炭的較佳工藝條件為：碳化溫度600℃、碳化時(shí)間1.0h、活化溫度900℃、活化時(shí)間1.5h、水蒸氣流量406mL/min。

b) 將所制備的活性炭用于煙氣脫硫?qū)嶒?yàn)，活性炭的硫容隨SO₂體積分?jǐn)?shù)、O₂體積分?jǐn)?shù)和水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加而增加；隨反應(yīng)器床層溫度升高，硫容先增加后減小。在床層溫度為80℃，SO₂、O₂和水蒸氣體積分?jǐn)?shù)分別為0.5%、5%和12%，N₂為載氣的條件下，活性炭的硫容大，為72.3mg/g。