陳煒,王學謙,寧平,蔣明,劉巍,龍堅,邱娟
(昆明理工大學 環(huán)境科學與工程學院,云南 昆明,650093)
CS2是一種有毒的有機硫化合物,廣泛存在于焦爐氣、水煤氣、天然氣、Clausez尾氣中,不同氣源種類導致其含量有所不同,原料氣中的 CS2,不僅導致催化劑中毒,如甲醇、甲烷化及合成氨等催化劑[1],還會腐蝕設(shè)備。黃磷尾氣中富含CO[2?4],高純度的CO可作為一碳化工原料氣[4],凈化這些工業(yè)尾氣可減輕甚至避免對環(huán)境的污染,還可使尾氣實現(xiàn)資源化,降低生產(chǎn)成本。但尾氣中存在容易使CO羰基合成催化劑中毒的CS2等雜質(zhì)氣體,限制了尾氣作為一碳化工原料氣的使用。因此,凈化黃磷尾氣中的CS2等氣體是獲得高純度CO氣的關(guān)鍵。未經(jīng)處理的CS2排放會通過光化學反應(yīng)在大氣中形成氣溶膠,導致酸雨的形成[5],同時會對人體健康產(chǎn)生影響。目前,國內(nèi)外對低質(zhì)量濃度 CS2的凈化方法分為干法脫硫和濕法脫硫。濕法脫硫目前對CS2的脫除還沒有較好的方法,在干法脫除CS2中常用的方法有吸附法、化學轉(zhuǎn)化吸收、催化還原、催化加氫、催化水解的方法。湖北化學所研制的EZX系列脫硫劑,可以將CS2通過化學轉(zhuǎn)化吸收達到脫除的目的。但是EZX系列脫硫劑負荷較低[6]。催化還原和催化加氫脫除 CS2反應(yīng)所需溫度和壓力較高,且需要引入外來組分。催化水解,也存在反應(yīng)溫度偏高和硫容偏低等問題,在實際應(yīng)用中受到限制。吸附法的優(yōu)點在于對于脫硫條件不高,可以通過改性達到增大吸附容量,實際使用利于推廣。Brandt等[7]和王琳等[8]研究了大氣顆粒物與 CS2的反應(yīng)轉(zhuǎn)化行為后指出,過渡金屬氧化物金屬最高占有軌道與最低空軌道,是d軌道或f軌道,或是d軌道和f軌道的雜化,具有容易變價的傾向,且對CS2具有催化氧化作用,本文作者采用在工業(yè)廢氣凈化研究中使用較多的過渡金屬氧化物作為活性組分[9],通過浸漬法改性活性炭[10?12],考察了改性炭的制備和凈化CS2時的影響因素,并結(jié)合N2物理吸附、掃描電鏡(SEM)和能量色散譜儀(EDS)、X線衍射(XRD)及X線光電子能譜(XPS)進行了表征研究。
工業(yè)煤質(zhì)活性炭(堆密度≥0.45~0.55 g/L、碘吸附量>900 mg/g);ZSM?5型沸石分子篩(直線型孔道直徑0.54 nm×0.56 nm,Z型孔道直徑0.51 nm×0.54 nm);13X型沸石分子篩(粒徑3~5 mm、堆密度≥0.65 g/mL、水吸附量≥26%、抗壓強度≥75 N,國藥集團化學試劑有限公司,分析純);NaY型沸石型分子篩(粒徑1~3 mm、堆密度≥0.45 g/mL、抗壓強度為25~90 N,國藥集團化學試劑有限公司,分析純)。
稱取一定質(zhì)量的活性炭(AC)用去離子水洗滌 2~3次以除去表面機械雜質(zhì)和浮塵,采用等體積法將一定質(zhì)量的空白活性炭浸漬于一定濃度的醋酸鹽溶液中,在110 ℃下干燥24 h,再在200~400 ℃下焙燒6 h制得[7?8]。
采用掃描電鏡(ESEM)觀察樣品的微區(qū)形貌,并對其表面元素進行定性和定量分析,所用儀器為荷蘭PHILIPS?FEI公司生產(chǎn)的XL30ESEM?TMP型儀器及其附帶的EDAX公司生產(chǎn)的 Phoenix能譜分析儀,放大倍數(shù):1 000倍,分辨率:3.5 nm,工作距離:20 μm。
N2吸附等溫線表征吸附劑的物性參數(shù),儀器:NOVA2000e(Quantachrome instruments),N2吸附等溫線在77.30 K下測定,等溫線用于計算比表面積(BET法)和孔徑分布(DFT)。
XPS分析在PHI5600型X線光電子能譜儀上完成。輸出功率為200 W,輻射源為Mg靶,真空度為5×10?9T,分析深度為5 nm,儀器分辨率為0.8 eV,最高電壓為15 kV。
XRD分析采用日本生產(chǎn)的D/max?2200型X線衍射儀。管電壓為3 kW,管電流為40 mA,掃描速度為0.02 (°)/步,采用Cu靶,額定電流為2~50 mA。
CS2(N2平衡)由鋼瓶氣提供(購自大連大特氣體有限公司),反應(yīng)氣與微量氧氣在混合器中混合均勻后,在20~60 ℃范圍內(nèi)以1 200 h?1空速進入吸附床層單元。CS2濃度的測定采用 HC?6微量磷硫分析色譜儀(湖北省化學研究院);色譜工作條件:色譜柱填充材料GDX104,采樣環(huán)溫度為18~22 ℃,燃氣(H2)的壓力為0.035 MPa;燃氣(O2)的壓力為0.03 MPa;載氣(N2)的壓力為0.1 MPa;柱溫為90 ℃;FPD檢測器溫度約為88 ℃;檢測器高壓(HV)為?690 V;衰減1/2;檢出限:0.003 mg/m3。繪制吸附凈化效率曲線并對各條件下穿透凈化曲線(凈化效率小于 90%時)按式(1)積分可得對應(yīng)的基于吸附劑質(zhì)量的CS2吸附穿透容量。剩余尾氣經(jīng)醇溶液吸收處理后排放。
式中:X為CS2的吸附容量,mg/g;Q為CS2氣體流量,m3/min;t為吸附時間,min;C0為吸附柱入口質(zhì)量濃度,mg/m3;C為吸附柱出口質(zhì)量濃度,mg/m3;m為吸附劑質(zhì)量,g。
2.1.1 載體的篩選
實驗分別考察并對比在相同反應(yīng)條件下不同載體對CS2氣體凈化的吸附容量曲線,如圖1所示。60 min內(nèi)ZSM-5,13X和NaY分別達到吸附飽和,吸附容量分別為2.601,2.730和2.220 mg/g,而空白活性炭遠沒有達到飽和,吸附 70 min時的吸附容量為 7.135 mg/g。活性炭是應(yīng)用較廣泛的催化劑/吸附劑,其吸附性能和催化性能取決于自身的孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學特性,后者主要取決于與炭表面成化學結(jié)合的表面氧化物。表面氧化物賦予了活性炭弱極性,增大或擴大了活性炭的催化性能,改變了炭對有機物、無機物的吸附選擇性[13]。綜上所述,實驗選用工業(yè)煤質(zhì)活性炭作為制備凈化CS2氣體的載體。
圖1 不同空白載體對CS2凈化性能的影響Fig.1 Effect of different supports on CS2 purification
2.1.2 活性組分的篩選
實驗考察了不同過渡金屬氧化物制備負載型活性炭對CS2的吸附凈化效率,結(jié)果如圖2所示。可見:不同改性劑改性活性炭對CS2凈化與空白活性炭相比均有不同程度的提升,對不同活性組分改性炭穿透凈化曲線按式(1)積分可得對應(yīng)的基于吸附劑質(zhì)量的CS2吸附穿透容量。銅改性活性炭(66.532 4 mg/g)在 350 min內(nèi)的凈化效率遠大于其余改性劑,且穿透吸附容量與空白活性炭(25.23 mg/g)相比提高了2.6倍。
2.1.3 Cu2+浸漬液濃度的影響
在吸附劑制備過程中,活性組分濃度也是影響其凈化性能的一個因素,實驗考察了不同Cu2+浸漬液濃度對活性炭凈化性能的影響,結(jié)果如圖3所示??梢姡?.15 mol/L濃度的為最適的浸漬濃度,分析原因為較低 Cu2+濃度的浸漬液不能為反應(yīng)提供足夠的活性中心,而過高的濃度可能會使得改性炭制備過程中比表面減小,部分微孔被堵塞,從而使氣?固相反應(yīng)中的孔內(nèi)擴散阻力增加,亦或是負載在活性炭表面的Cu2+過多容易形成團聚,因而對改性炭的活性產(chǎn)生了抑制作用,降低了CS2與活性位結(jié)合發(fā)生反應(yīng)的機率。
圖2 不同活性組分對CS2凈化性能的影響Fig.2 Effect of different different impregnated activated carbons on CS2 purification
圖3 不同Cu2+浸漬濃度對CS2凈化性能的影響Fig.3 Effect of different concentrations of Cu2+ on CS2 purification
2.1.4 焙燒溫度的影響
改性活性炭的焙燒是制備過程中一個關(guān)鍵因素,它不僅是改性炭的活化和晶粒分配、成型過程,而且對改性炭的機械強度、孔容、孔隙率、孔徑分布及穩(wěn)定性有很大影響,其溫度對CS2吸附凈化效率影響曲線如圖4所示。從圖4可以看出:焙燒溫度過低,氣固相擴散較慢,固體反應(yīng)進行不完全,難以完成晶粒從小到大的成長過程,不利于活性組分的生成。而溫度過高400 ℃以上,則導致吸附劑的活性組分部分燒結(jié),活性炭灰化嚴重,因此,適宜的焙燒溫度為400 ℃。
圖4 焙燒溫度對CS2凈化性能的影響Fig.4 Effect of calcination temperature on CS2 purification
2.2.1 氧含量的影響
課題組在工業(yè)廢氣凈化的長期研究中發(fā)現(xiàn),補充微量的氧氣對吸附凈化較為有利,并在中試運行和工業(yè)擴大化試驗中得到了檢驗[5],為此實驗選擇將相同的改性活性炭進行CS2吸附反應(yīng),并補充體積濃度不同的微量氧氣,探討氧含量對改性炭的吸附性能的影響。圖5所示為不同氧含量對CS2凈化性能的影響。由圖5可見:隨著氧含量的增大,改性炭對CS2的吸附凈化效果逐漸增加,當氧含量達到2.5%時,其凈化效率又有所降低。分析原因為:一方面,當氧含量過低,CS2得不到充分的氧化,提高氧含量可以導致混合氣體總空速增大,消除了外擴散的影響,使CS2分子克服擴散阻力進入改性炭內(nèi)孔道,并與孔道內(nèi)的活性物質(zhì)充分接觸反應(yīng),使得凈化效率得以提高;另一方面,氧含量的增大也會是得氣流形態(tài)以及氣?固相之間的反應(yīng)停留時間減少。當氧含量達到2.5%時,可能為后者影響大于前者,固凈化效率有所降低。2%含氧量也滿足工業(yè)安全生產(chǎn)的要求。
圖5 不同氧含量對CS2凈化性能的影響Fig.5 Effect of different oxygen contents on CS2 purification
2.2.2 反應(yīng)溫度的影響
在氣?固相吸附反應(yīng)中,溫度是一個重要因素,反應(yīng)溫度過低,氣相與固相之間僅依靠較弱的范德華力而產(chǎn)生物理吸附,這種吸附通常是可逆而無選擇性的,任何氣體都可以在任何吸附劑上發(fā)生物理吸附,而此時的系統(tǒng)溫度不能提供足夠的熱量使氣體分子活化,從而吸附氣并不與活性炭上的活性物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)。圖6所示為不同反應(yīng)溫度對CS2凈化性能的影響。由圖6可見:氣?固反應(yīng)180 min后,20 ℃反應(yīng)條件下,吸附凈化效率仍高于99%,在后文XPS譜圖中具體闡述該溫度下的反應(yīng)產(chǎn)物,以證明該條件下不是簡單的物理吸附。而40,60和80 ℃反應(yīng)條件下,吸附凈化效率均低于90%,且隨著溫度的升高,凈化效率相應(yīng)降低。
圖6 不同反應(yīng)溫度對CS2凈化性能的影響Fig.6 Effect of different reacting temperature on CS2 purification
圖7所示為不同樣品的孔徑分布。由圖7可知:改性活性炭吸附前在孔半徑小于2 nm的區(qū)間內(nèi)的孔體積較其他樣品大許多,結(jié)合表1所示樣品的比表面積和孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)可以看出,改性活性炭吸附前所對應(yīng)的比表面積、平均孔徑和孔體積都為最大。并且峰值孔徑分別出現(xiàn)在0.771,0.923和1.156 nm,與吸附CS2后的0.737,0.923和1.156 nm接近,但吸附前峰面積明顯大于吸附后,說明兩種活性炭都含有微孔,吸附后微孔被覆蓋或填充。比表面由大到小依次為改性炭吸附前、改性炭吸附后、空白活性炭,同時結(jié)合2.1.4節(jié)的實驗結(jié)果,認為通過焙燒過程焙燒能夠為制備凈化CS2的改性活性炭提供最佳的孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)和比表面積,吸附劑凈化性能下降的原因分析為反應(yīng)物致使微孔被覆蓋或填充,比表面相應(yīng)減少。
圖7 不同樣品的孔徑分布Fig.7 Pore size distribution of different samples
表1 不同活性炭樣品的孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)Table 1 Porous properties of AC samples
圖8~10所示為掃描電鏡(SEM)所得的改性前和改性后的活性炭表面像及其相應(yīng)的能譜。通過二次成像對比改性前后活性炭的表觀。可以看出:改性后的活性炭表面比改性前表面突兀及顆粒均勻,有利于活性組分在載體上的均勻分布。比較背散射電子成像可以看出:改性后光亮銀灰色物質(zhì)增多且分布均勻。改性炭通過局部掃描電鏡及能譜分析可以發(fā)現(xiàn):Cu元素的存在,結(jié)合表2不同樣品表面能譜分析結(jié)果,改性炭表面Cu的質(zhì)量分數(shù)為2.49%,光亮物分析可能為CuO及Cu2O活性物質(zhì),暗灰色物質(zhì)則為活性炭本身的Si物質(zhì)。
圖8 空白活性炭二次電子及背散射電子成像照片F(xiàn)ig.8 SEM images of surface of ACraw
圖9 改性活性炭二次電子及背散射電子成像照片F(xiàn)ig.9 SEM images of surface of MAC
對改性炭的新鮮樣品進行了 X線衍射(XRD)分析,以確定負載活性組分的化學成分和晶體結(jié)構(gòu),由于物質(zhì)種類、制法、煅燒和使用中的操作條件的不同,樣品中微晶大小分布,可以在很大的范圍內(nèi)變化。粒徑從1 nm到幾十nm,甚至到幾百nm。但一般說來,活潑的催化劑的微晶在1~10 nm之間。微晶小于200 nm,能夠引起衍射峰的加寬,晶粒越細峰越寬,圖11所示為改性活性炭的XRD譜。圖11中譜峰中除了空白活性炭本身含有的碳及其氧化硅外,其余均對應(yīng)于單斜CuO (JCPDS No.48-1548)[14],衍射峰寬較窄,強度較大,無其他雜峰出現(xiàn),通過謝樂公式計算出制備的 CuO晶體的平均晶粒度約為 15 nm[15]。Nguyen-Thanh等[16]認為負載的銅可與活性氧結(jié)合,活性氧可作為硫化物的氧化物進行反應(yīng),銅在其中作為氧活化催化劑。因此認為CuO為負載活性炭上的活性組分,與之前的EDS分析結(jié)果一致。
圖10 改性活性炭局部背散射電子成像及1號,2號EDS能譜Fig.10 SEM image of surface and EDS spectra of MAC
表2 不同樣品表面能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))Table 2 Elemental analysis of different samples using EDS %
圖11 改性活性炭的XRD譜Fig.11 Example of XRD pattern for MAC studied
圖12所示為吸附飽和狀態(tài)時的改性活性炭 XPS譜。從圖12可以看出:S2p的XPS譜在164.40和169.12 eV出現(xiàn)2個譜峰,對應(yīng)XPS物質(zhì)的標準譜,單質(zhì)S,CuS與 CuSO4的標準結(jié)合能分別為 164.1,161.3和169.3 eV。根據(jù)文獻[17],結(jié)合能在169.0 eV 以上為無機硫,因此可以確定反應(yīng)后有硫酸根生成,而K2SO4,F(xiàn)eSO4,F(xiàn)e2(SO4)3和 CuSO4的標準結(jié)合能相近,結(jié)合 EDS能譜分析,改性炭中并不含有 K,F(xiàn)e金屬離子,結(jié)合表3分析,改性飽和樣表面有單質(zhì)S和CuSO4生成,且其含量分別為56.56%和43.44%。
表3 吸附飽和樣XPS元素含量Table 3 Elemental analysis of saturation sample using XPS
(1)以工業(yè)煤質(zhì)活性炭(AC)為載體,采用浸漬法制備的Cu基改性活性炭,在制備過程為:Cu2+濃度為0.15 mol/L,焙燒溫度為400 ℃時;反應(yīng)溫度條件為20 ℃,氧含量為 2.0%時,對 CS2的吸附凈化效果最好。
(2)表征分析認為Cu基改性活性炭凈化CS2的反應(yīng)是以CuO為反應(yīng)中心在對CS2具有吸附作用的同時還有催化氧化作用,生成單質(zhì)硫及其硫酸鹽,因此凈化效果較好。
(3)吸附反應(yīng)生成的單質(zhì)硫及其硫酸鹽,占據(jù)吸附劑表面活性位,致使微孔堵塞,是導致吸附劑凈化性能降低的主要原因。
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