活性炭變壓吸附脫除二氧化碳的性能研究

二氧化碳出生時(shí)性格詭異，命運(yùn)多舛!常溫下是一種無(wú)色無(wú)味氣體，密度比空氣略大，溶于水(1體積H?O可溶解1體積CO?)，并生成碳酸。固態(tài)二氧化碳俗稱(chēng)干冰，升華時(shí)可吸收大量熱，因而用作制冷劑，如人工降雨，也常在舞美中用于制造煙霧(干冰升華吸熱，液化空氣中的水蒸氣)。卻身負(fù)洪荒之力，使得地球上氣溫越來(lái)越高，由于人類(lèi)活動(dòng)（如化石燃料燃燒）影響，讓二氧化碳幾近崩潰、徹底絕望，成為妖化氣體，導(dǎo)致溫室效應(yīng)、全球氣候變暖、冰川融化、海平面升高……“吸附你又如何，不吸附你又如何”活性炭，吸附上仙，一種黑色多孔的固體炭質(zhì)，著一襲黑袍，一生不負(fù)天下，不負(fù)眾生，不負(fù)任何人，唯獨(dú)負(fù)了自己的一世韶光，負(fù)了它-二氧化碳。為何如此呢？下面就研究活性炭具有哪些特性，變壓吸附脫除二氧化碳的性能自1960年第一個(gè)變壓吸附專(zhuān)利(美國(guó)C.W.Skarstrom)批準(zhǔn)之后,變壓吸附技術(shù)發(fā)展非常迅速。現(xiàn)在已經(jīng)成為一種很常用的分離和提純工藝。作為近年來(lái)研究和開(kāi)發(fā)的節(jié)能技術(shù),變壓吸附法雖然投資較高,但操作費(fèi)用低,具有工藝簡(jiǎn)單、能耗低、凈化度高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。變壓吸附制取加氫過(guò)程所需純凈氫氣是工業(yè)上廣泛采用的方法,一般原料制取氫氣需脫除的雜質(zhì)常含CO2。變壓吸附脫除CO2常用的吸附劑為活性炭?；钚蕴科贩N繁多,因原料及制造工藝條件差異,吸附性能也有較大差異。優(yōu)化變壓吸附過(guò)程首先要選用吸附量大、解吸性能好、分離系數(shù)大、機(jī)械強(qiáng)度高等性能優(yōu)良的吸附劑。本文報(bào)道國(guó)內(nèi)外4種活性炭的表征結(jié)果以及它們的動(dòng)態(tài)吸附性能,比較它們?cè)谙嗤瑮l件下的吸附效果,以及不同的吸附條件對(duì)吸附過(guò)程的影響以評(píng)價(jià)國(guó)產(chǎn)的變壓吸附用活性炭吸附劑?；钚蕴慨a(chǎn)地形狀粒度堆密度(kg.m-3)磨耗%灰份%國(guó)外(AC1)不規(guī)則小塊形狀488.3

3.86.67安徽淮北(AC2)小柱狀605.82.67.05寧夏銀川(AC3)大柱狀564.21.87.70江蘇溧陽(yáng)(AC4)不規(guī)則小顆粒狀452.63.09.96

1活性炭的表征1.1物理特性實(shí)驗(yàn)選取一種國(guó)外活性炭和3種國(guó)內(nèi)活性炭,以下分別用AC1、AC2、AC3和AC4表示。測(cè)得它們一般的宏觀物理特性見(jiàn)表1(均按國(guó)標(biāo)測(cè)得)。表1實(shí)驗(yàn)用活性炭的基本數(shù)據(jù)1.2吸附等溫線(xiàn)實(shí)驗(yàn)在美國(guó)MicromeriticsInstrument公司生產(chǎn)的ASAP2020(AcceleratedSurfaceAreaandPorosim-etrySyste)儀器上測(cè)定了4種活性炭在273K的吸附等溫線(xiàn),見(jiàn)下圖。由圖可以看出這4種活性炭的吸附等溫線(xiàn)都為優(yōu)惠型吸附等溫線(xiàn),吸附質(zhì)的分壓較低時(shí),吸附劑的吸附量仍保持在較高水平,有利于吸附的完全分離。AC2對(duì)CO2的平衡吸附量高于AC1。1.3比表面、孔容及孔徑分布采用日本BELJAPAN.

INC的BlesorpII吸附儀用液氮法測(cè)定比表面積及孔容,結(jié)果見(jiàn)表2。采用ASAP2020在273K下CO2的吸附脫附法,用DFT(DensityFunctionalTheory)模型測(cè)得3種國(guó)產(chǎn)活性炭的孔徑分布和國(guó)外活性炭的孔徑分布情況相似,主要為微孔。孔徑在0.6nm左右分布較多,還有的分布在0.8nm和0.9nm之間。表2活性炭的比表面和孔容活性炭樣品比表面/m2.

g-1孔容/cm3.g-1AC11014.70.4472AC21059.80.4568AC3870.320.3826AC4875.040.39051.4.XRD分析采用德國(guó)Bruker公司的D8ADVANCE型X衍射儀對(duì)這4種活性炭進(jìn)行了XRD分析(如下圖所示)。實(shí)驗(yàn)條件為:CuKa射線(xiàn)源(衍射狹縫從左到右均為1mm),鎳單色器(0.6mm);掃描范圍:5°~80°,掃描速度:0.05°/0.2是;工作電壓和電流分別為40kV和30mA。各種活性炭的XRD圖通過(guò)各種活性炭的XRD圖看出4種活性炭的XRD圖基本一致,都為C成分。通過(guò)XRD圖可查得,AC4在26°處有個(gè)石墨的特征峰,即含有少量的石墨成分,而其它的都為炭。對(duì)于這些活性炭而言,沒(méi)有固定的晶型,也沒(méi)負(fù)載其它的物質(zhì)或元素,XRD測(cè)試它們的物相都極為相近。單塔變壓吸附簡(jiǎn)圖1-惰性氣體鋼瓶;2-混合氣鋼瓶;3-吸附柱;4-氣相色譜;5-六通閥;6-轉(zhuǎn)子流量計(jì);7-皂沫流量計(jì);8-真空泵;9-壓力真空表;10、11-微量調(diào)節(jié)閥;12~16-控制閥;2動(dòng)態(tài)吸附2.1實(shí)驗(yàn)材料及裝置活性炭在使用前進(jìn)行活化,將活性炭放在管式爐中加熱到120,恒溫保持4h,整個(gè)過(guò)程中用惰性氣體N2吹掃,待活化完成溫度降到室溫后,將活性炭取出,裝入袋中密封備用。單塔變壓吸附裝置示意圖見(jiàn)下圖。上圖裝置中吸附柱尺寸為?21mm×?400mm,吸附劑裝滿(mǎn)吸附柱,吸附溫度為常溫。自配混合氣中CO2濃度為13%~14%,其余為氮?dú)?。氣相色譜為山東魯能儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的SP-6800A型氣相色譜儀,采用PorapakQ的固定相載體裝填色譜柱。2.2

實(shí)驗(yàn)方法先用氮?dú)獬鋲褐廖綁毫箨P(guān)閉氮?dú)獯蜷_(kāi)混合氣則吸附開(kāi)始,吸附尾氣經(jīng)六通閥和皂沫流量計(jì)排空,每隔2min~4min用六通閥將氣路切至氣相色譜對(duì)尾氣進(jìn)行分析,記錄尾氣濃度隨時(shí)間的關(guān)系可得穿透曲線(xiàn),即可計(jì)算出動(dòng)態(tài)吸附容量。尾氣濃度達(dá)到原混合氣濃度的98%并恒定時(shí),可認(rèn)為吸附已達(dá)到平衡。即可結(jié)束吸附過(guò)程進(jìn)行順向放壓并記錄出口濃度隨壓力的變化關(guān)系,順?lè)胖脸簳r(shí)再抽真空使吸附劑再生進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。圖1不同吸附壓力的混合氣在AC1上的穿透曲線(xiàn)從每種活性炭來(lái)看,隨著吸附壓力增高,穿透點(diǎn)tb

后移,吸附容量Vb

明顯增大,床層的利用率顯著提高。這是因?yàn)殡S著吸附壓力的提高,單位體積內(nèi)混合氣中CO2的分壓增加,傳質(zhì)推動(dòng)力增大,加大了傳質(zhì)速率和吸附容量。所以一般的變壓吸附過(guò)程應(yīng)該始終保持較高的吸附壓力和較低的溫度,保持較高的吸附壓力不僅有利于提高吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附量,而且有利于提高傳質(zhì)推動(dòng)力,縮短傳質(zhì)區(qū),提高吸附床層利用率。3.吸附壓力的影響圖2不同吸附壓力的混合氣在AC2上的穿透曲線(xiàn)圖3不同吸附壓力的混合氣在AC3上的穿透曲線(xiàn)圖4不同吸附壓力的混合氣在AC4上的穿透曲線(xiàn)通過(guò)對(duì)上圖的理解，吸附劑已經(jīng)經(jīng)過(guò)多次吸附,每個(gè)吸附周期中抽真空再生時(shí)間為5min,原料氣流速為200ml/min,測(cè)定各種吸附劑分別在0.2MPa、0.5MPa和0.8MPa的吸附壓力下的穿透曲線(xiàn)見(jiàn)圖1~圖4，從圖1~圖4可以看出,4種活性炭在同樣實(shí)驗(yàn)條件下的穿透曲線(xiàn)形狀相差不大。AC1和AC2穿透曲線(xiàn)從穿透到飽和速度很快,說(shuō)明它的傳質(zhì)性能很好,根據(jù)吸附理論其傳質(zhì)層長(zhǎng)度較短,則床層的利用率較高。吸附性能和再生效果較好,有良好的變壓吸附特性,在經(jīng)過(guò)多次重復(fù)吸附后還能穩(wěn)定地保證吸附劑的再生效果。而AC4變壓吸附特性不夠好,在經(jīng)過(guò)多次吸附之后就不能保證吸附劑完全再生了,再生效果較差,再生后在下一次吸附開(kāi)始時(shí)CO2濃度很高,說(shuō)明此吸附劑的凈化度不夠高。4結(jié)論(1)從幾種活性炭物理特性看,經(jīng)過(guò)比較得出AC2(安徽淮北)比較接近AC1(國(guó)外)的性質(zhì),有足夠的強(qiáng)度和抗磨性。(2)通過(guò)孔容積、孔徑分布、表面積和其它表面性質(zhì)等的測(cè)定、比較,國(guó)產(chǎn)活性炭中AC2較大,比表面積為10598m2/g,其它性質(zhì)與國(guó)外的活性炭也較為接近。(3)動(dòng)態(tài)吸附平衡實(shí)驗(yàn)結(jié)