改性活性炭对烟气中CO2吸附性能的影响

郭慧娴，李水娥，张 勇，刘小勇，王 超，彭 箫，刘富勤

(1.贵州大学 材料与冶金学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省冶金工程与过程节能重点实验室，贵州 贵阳 550025)

目前，CO2的捕获方法有吸收法[7]、吸附法[8]、膜分离法[9-10]、低温法[11]及利用酶和藻类的生物法[12]。其中，活性炭吸附法因设备简单、操作简便、效率高而被广泛应用。活性炭的吸附性主要取决于内部发达的孔隙结构(物理吸附)和多样的表面官能团(化学吸附)[13]。活性炭的物理吸附主要依靠2 nm以下的微孔，当微孔吸附的气体达到饱和时便失去吸附能力，而在其表面添加官能团可以提高其吸附能力。在N2、H2中用氨溶液对活性炭进行还原改性，可使活性炭的碳元素和氮元素含量增加，氧元素含量降低，表面碱性官能团数量增加，对CO2的吸附能力得以提高[14]。用NaOH、CH6ClN3、C3H6N6、C2H8N2对活性炭进行改性，可以制备出具有一定碱性交换容量的活性炭，其对CO2的吸附能力均有所提高，其中NaOH改性所得碱性活性炭的吸附效果最好[15]。用NaOH浸渍活性炭并用改性活性炭在固定床柱吸附系统中吸附CO2，在气体流速90 mL/min、吸附剂负载量3.0 g、CO2体积分数15%、吸附温度35 ℃条件下，改性活性炭对CO2最高吸附量达27.10 mg/g，比改性前提高了1.5倍[16]。试验选用碱性试剂中分子量较小、不易堵塞活性炭微孔的NaOH作改性剂，在尽可能不破坏活性炭孔结构前提下提高活性炭对CO2的吸附量。

1 试验部分

1.1 试验原料与设备

NaOH，分析纯，沧州凯德利化工产品有限公司；活性炭，分析纯，天津市光复科技发展有限公司；CO2(纯度99%)、N2(纯度99%)，贵阳林诚气体公司。

吸附柱：玻璃管，内径7 mm，长度150 mm。

1.2 活性炭改性

称取适量活性炭，用纯水多次搅拌洗涤至洗涤液不浑浊，然后放入110 ℃烘箱中干燥10 h，冷却至室温后备用。取一定量5 mol/L NaOH溶液与经过清洗干燥的活性炭一起放入烧杯中，用磁力加热搅拌器在不同温度下缓慢搅拌一定时间，冷却后用纯水反复洗涤至滤液呈中性，最后放入110 ℃干燥箱中干燥一段时间后冷却备用。

1.3 改性活性炭吸附CO2

图1为改性活性炭吸附CO2试验装置示意。

1—CO2气体钢瓶；2—N2气体钢瓶；3—减压阀；4—气体转子流量计；5—气体缓冲瓶；6—吸附柱；7—CO2红外分析仪。图1 改性活性炭吸附CO2试验装置示意

燃煤烟气的主要成分为N2、CO2、O2、SO2，另有少量NOx、烟粉尘，经脱硝、除尘、脱硫后，主要成分为N2、CO2、O2。其中N2、O2对CO2吸附过程的影响可以忽略不计，CO2体积分数为5%～20%。试验所用烟气CO2体积分数为10%。

试验时，CO2与N2在气体缓冲瓶中充分混合后通过装有50 g活性炭的吸附柱。每隔一定时间在吸附柱进/出口各测定并记录CO2体积分数，直到出口CO2体积分数接近入口体积分数时，停止进气。CO2吸附量(q，mmol/g)计算公式为

式中：m—吸附剂质量，g；t—吸附时间，min；Q—吸附柱气体流量，mmol/min；φ1、φ2—吸附柱进、出口CO2体积分数，%。

2 试验结果与讨论

2.1 改性剂用量对活性炭改性的影响

活性炭质量50 g，改性温度60 ℃，改性时间4 h，干燥时间6 h，改性剂用量对改性活性炭吸附CO2的影响试验结果如图2所示。

AC—未改性活性炭；A1—改性剂用量100 mL；A2—改性剂用量120 mL；A3—改性剂用量140 mL；A4—改性剂用量160 mL。

2.2 改性时间对活性炭改性的影响

活性炭质量50 g，改性剂用量140 mL，改性温度60 ℃，干燥时间6 h，改性时间对改性活性炭吸附CO2的影响试验结果如图3所示，可以看出：改性活性炭对CO2吸附量随改性时间延长先提高后降低，表明改性时间过长或过短都不利于活性炭表面改性；改性时间为6 h时，改性活性炭对CO2吸附量达到最高，为3.35 mmol/g；改性时间超过6 h，NaOH腐蚀活性炭孔道严重，影响改性效果[18]，使其对CO2的吸附量减少。综合考虑，确定最佳改性时间为6 h左右。

AC—未改性；B1—改性时间2 h；B2—改性时间4 h；B3—改性时间6 h；B4—改性时间8 h。

2.3 改性温度对活性炭改性的影响

活性炭质量50 g，改性剂用量120 mL，改性时间4 h，干燥时间6 h，改性温度改性活性炭吸附CO2的影响试验结果如图4所示。

AC—未改性活性炭；C1—改性温度50 ℃；C2—改性温度60 ℃；C3—改性温度70 ℃；C4—改性温度80 ℃。

由图4看出：随改性温度升高，改性活性炭对CO2吸附量先升高后降低；在70 ℃时吸附量达最高，为3.47 mmol/g。改性后活性炭表面含有碱基官能团，继续升温，改性剂分子和活性炭表面官能团动能过高，部分有效碱基官能团脱离活性炭表面[19]，使改性效果降低。综合考虑，确定最佳改性温度为70 ℃。

2.4 干燥时间对活性炭改性的影响

活性炭质量50 g，改性剂用量120 mL，改性时间4 h，改性温度60 ℃，干燥时间对改性活性炭吸附CO2的影响试验结果如图5所示。

AC—未改性活性炭；D1—干燥时间4 h；D2—干燥时间6 h；D3—干燥时间8 h；D4—干燥时间10 h。

由图5看出：随干燥时间延长，改性活性炭对CO2的吸附量降低，这是因为干燥时间会直接影响改性剂中水分含量，适当水量有利于提高气体吸附相浓度，从而提高其对CO2的吸附量[18]；干燥4 h时，改性活性炭对CO2吸附量最高，达3.45 mmol/g；干燥时间超过4 h后，改性活性炭中含水量大幅降低，不利于活性炭吸附CO2。综合考虑，确定最佳干燥时间为4 h。

3 结论

以NaOH浸渍改性活性炭可明显提高活性炭对CO2的吸附性能。适宜条件下，改性活性炭对CO2的吸附量可达3.50 mmol/g，是未改性活性炭对CO2吸附量的3.9倍，吸附效果提高显著。以NaOH为改性剂浸渍改性活性炭，方法简单易行，改性效果较好。