建曉朋，侯興隆，許偉，劉石彩*

(1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091；2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家林業(yè)和草原局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210042)

CS2是一種惡臭氣體，容易散發(fā)到大氣中發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)生成SO2，形成酸雨，污染環(huán)境。長(zhǎng)時(shí)間接觸低濃度CS2會(huì)損害人體呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等，影響人體身心健康[1]。為了控制CS2排放量，我國(guó)要求CS2在當(dāng)前工業(yè)尾氣排放和車間中最高容許濃度均低于10 mg/m3[2]。目前治理CS2方法有冷凝法、吸附法、催化水解法、化學(xué)吸收轉(zhuǎn)換法等[3]，其中吸附法應(yīng)用廣泛，因?yàn)樗に嚭?jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、能耗低和吸附率高，也能將吸附的物質(zhì)回收利用，節(jié)約成本。活性炭是一種常見(jiàn)的綠色吸附劑，不僅價(jià)格廉價(jià)、具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，而且吸附速度快、再生能力強(qiáng)[4]。

金國(guó)杰等[5]研究發(fā)現(xiàn)Bangham方程更符合活性炭吸附CS2和水蒸氣混合物的動(dòng)力學(xué)行為，并且活性炭對(duì)CS2吸附量受吸附溫度影響，吸附溫度升高，吸附量降低，這與Jia等[6]研究結(jié)果一致，同時(shí)Jia等也發(fā)現(xiàn)當(dāng)脫附溫度升高時(shí)，脫附率也提高。王倩[7]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)吸附溫度為25 ℃時(shí)，活性炭對(duì)CS2的吸附率最高，達(dá)到82.6%。范明霞等[8]通過(guò)動(dòng)態(tài)吸附試驗(yàn)研究進(jìn)口氣體流速對(duì)活性吸附CS2影響，發(fā)現(xiàn)控制合適的流速很重要。郝晨光[9]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)處理的CS2氣體流速為5 000 m3/h、CS2含量為2 500 mg/g時(shí)，纖維狀活性炭對(duì)CS2的吸附率可達(dá)到90%以上。黃妍等[10]發(fā)現(xiàn)濕度對(duì)活性炭吸附CS2影響很大。

目前針對(duì)單一因素影響活性炭CS2吸附性能的研究較多，缺乏對(duì)活性炭脫附CS2性能的研究，缺乏系統(tǒng)研究工況條件(如溫度、流速、濃度和濕度等)對(duì)活性炭吸附-脫附CS2的影響。筆者綜合溫度、流速、濃度和濕度等工況條件，系統(tǒng)研究活性炭吸附-脫附CS2的影響規(guī)律，以期對(duì)工業(yè)化利用活性炭去除CS2提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

活性炭為元力活性炭股份有限公司提供的一種商用木質(zhì)活性炭，柱狀顆粒，直徑約為4 mm，比表面積1 085 m2/g，表觀密度0.43 g/cm3，平均孔徑2.24 nm，總孔容0.5 cm3/g，微孔孔容0.31 cm3/g。氮?dú)?分析純)，南京麥克斯南分特種氣體有限公司；CS2(分析純)，南京化學(xué)試劑股份有限公司。

試驗(yàn)主要儀器有：ET-93型號(hào)CS2濃度測(cè)定儀，科爾諾電子科技有限公司；DgD 3S型號(hào)質(zhì)量流量控制器，南京卡佛科學(xué)儀器有限公司。

1.2 活性炭動(dòng)態(tài)吸附和脫附CS2氣體的試驗(yàn)裝置

測(cè)定活性炭在不同吸附溫度、流速、CS2質(zhì)量濃度和濕度條件下對(duì)CS2吸附量和殘存量的試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。測(cè)量時(shí)，將一定質(zhì)量的活性炭裝填至吸附管的同一刻度，記錄吸附管質(zhì)量隨時(shí)間的變化，通過(guò)吸附管質(zhì)量的增加，計(jì)算活性炭對(duì)CS2的吸附量；通過(guò)吸附管質(zhì)量的減少，計(jì)算活性炭對(duì)CS2的殘存量。

1.氮?dú)馄浚?.氮?dú)赓|(zhì)量流量控制器；3.CS2質(zhì)量流量控制器；4.水蒸氣質(zhì)量流量控制器；5.CS2發(fā)生裝置；6.水蒸氣發(fā)生裝置；7.氣體混合瓶；8.吸附管；9.緩沖瓶；10.吸收瓶；11.冷卻水。

吸附溫度調(diào)控：打開(kāi)氮?dú)馄块_(kāi)關(guān)，通過(guò)控制氮?dú)饬髁靠刂破?，使氮?dú)饬髁繛?50 mL/min,打開(kāi)CS2發(fā)生器開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制CS2流量控制器，使CS2流量為150 mL/min，將緩沖瓶和盛有活性炭的吸附管放在恒溫水浴鍋中，通過(guò)調(diào)節(jié)恒溫水浴鍋溫度來(lái)控制吸附溫度。

流速調(diào)控：打開(kāi)氮?dú)馄块_(kāi)關(guān)，關(guān)閉水蒸氣流量控制器，通過(guò)控制CS2流量控制器，使CS2流量為150 mL/min，調(diào)節(jié)CS2發(fā)生器溫度，通過(guò)用氮?dú)獯祾邔S2和氮?dú)膺M(jìn)行混合保證CS2質(zhì)量濃度不變，吸附溫度保持在25 ℃。

CS2質(zhì)量濃度調(diào)控：打開(kāi)氮?dú)馄块_(kāi)關(guān)，通過(guò)控制氮?dú)饬髁靠刂破鳎沟獨(dú)饬髁繛?50 mL/min, 打開(kāi)CS2發(fā)生器開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制CS2流量控制器，使CS2流量為150 mL/min，通過(guò)調(diào)節(jié)CS2發(fā)生器溫度控制CS2質(zhì)量濃度，用二硫化碳檢測(cè)儀測(cè)出CS2質(zhì)量濃度，吸附溫度保持在25 ℃。

濕度調(diào)控：打開(kāi)氮?dú)馄块_(kāi)關(guān)，通過(guò)控制CS2流量控制器，使CS2流量為150 mL/min，控制水蒸氣發(fā)生瓶溫度控制水蒸氣流量，使得氮?dú)夂退魵饬髁繛?50 mL/min，混合氣體以500 mL/min的流量通過(guò)活性炭吸附管。用二硫化碳檢測(cè)儀測(cè)出混合氣體的濕度，吸附溫度保持在25 ℃。

1.3 活性炭吸附/脫附CS2氣體

1.3.1 CS2的吸附操作

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 12496.5—1999《木質(zhì)活性炭試驗(yàn)方法-四氯化碳吸附率的測(cè)定》，仿照四氯化碳吸附率測(cè)定的試驗(yàn)裝置，將CS2發(fā)生瓶放在容器里，通過(guò)N2將CS2發(fā)生瓶的CS2氣體吹到混合氣體瓶中，然后再通過(guò)裝有活性炭的吸附管，并每隔15 min稱量吸附管及炭樣質(zhì)量，記錄吸附管及炭樣的質(zhì)量隨時(shí)間的變化情況，根據(jù)重量法計(jì)算活性炭對(duì)CS2的吸附量。

活性炭樣品對(duì)CS2吸附量的計(jì)算方法如下：

(1)

式中：qt為t時(shí)刻活性炭樣品對(duì)CS2的吸附量，g/g；m0為吸附前吸附管、塞子和炭樣的質(zhì)量之和，g；mt為在t時(shí)刻吸附管、塞子、炭樣和CS2的質(zhì)量之和，g；mc為活性炭質(zhì)量，g。

1.3.2 CS2的脫附操作

待炭樣達(dá)到吸附飽和后，關(guān)閉CS2發(fā)生器裝置，連接脫附裝置，通過(guò)N2將已吸附飽和炭樣中的CS2吹出，氮?dú)廨d氣流量為500 mL/min，脫附溫度為25 ℃，每隔15 min稱量吸附管及炭樣質(zhì)量，記錄吸附管及炭樣的質(zhì)量隨時(shí)間的變化情況。待脫附90 min后，記錄脫附后的吸附管總質(zhì)量，以殘存量表征活性炭對(duì)CS2的脫附能力。

活性炭樣品對(duì)CS2的殘存量的計(jì)算方法如下：

(2)

式中：At為t時(shí)刻活性炭樣品對(duì)CS2的殘存量，g/g；m1為飽和吸附后吸附管、塞子、炭樣和CS2的質(zhì)量之和，g；mt為t時(shí)刻吸附管、塞子、炭樣和CS2的質(zhì)量之和，g；m0為吸附前吸附管、塞子、炭樣的質(zhì)量之和，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸附/脫附溫度對(duì)CS2吸附、脫附性能的影響

在氮?dú)廨d氣流量為350 mL/min，CS2流量為150 mL/min，CS2質(zhì)量濃度為1 317 mg/m3條件下，分別測(cè)定活性炭在吸附溫度為15，25，35和45 ℃下對(duì)CS2吸附-脫附的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同溫度對(duì)活性炭吸附-脫附CS2的曲線

由圖2a可知，吸附溫度為15 ℃時(shí)，活性炭對(duì)CS2飽和吸附量最大，為0.609 9 g/g；吸附溫度為25，35和45 ℃時(shí)，活性炭對(duì)CS2飽和吸附量分別為0.559 1，0.477 2和0.424 6 g/g。所以活性炭對(duì)CS2飽和吸附量隨吸附溫度的升高而降低。由圖2a還可知，當(dāng)吸附溫度為25 ℃時(shí)，活性炭對(duì)CS2吸附速率最快，達(dá)到吸附平衡時(shí)間較短。當(dāng)吸附溫度為15 ℃時(shí)，活性炭達(dá)到吸附平衡時(shí)間較長(zhǎng)，吸附平衡時(shí)間為90 min；在吸附溫度為35 ℃時(shí)，活性炭對(duì)CS2飽和吸附量平衡時(shí)間為75 min；在吸附溫度為25和45 ℃時(shí)，活性炭對(duì)CS2飽和吸附量平衡時(shí)間為60 min。為了節(jié)約成本和提高工作效率，最佳吸附溫度為25 ℃。

由圖2b可知，脫附溫度為45 ℃時(shí)，活性炭對(duì)CS2殘存量最低，為0.287 8 g/g；脫附溫度為15，25和35 ℃時(shí)，活性炭對(duì)CS2殘存量分別為0.495 2，0.400 3 和0.378 3 g/g。故活性炭對(duì)CS2殘存量隨著脫附溫度的升高而降低。這是因?yàn)榛钚蕴繉?duì)CS2脫附為吸熱反應(yīng)，溫度升高，反應(yīng)逆向進(jìn)行，其表面作用力減弱，使得CS2分子從活性炭表面脫附下來(lái)。反之升高溫度，有利于脫附進(jìn)行。

2.2 氣體流速對(duì)CS2吸附、脫附性能的影響

在CS2質(zhì)量濃度為1 317 mg/m3、溫度25 ℃條件下，分別測(cè)定活性炭在500，625和795 mL/min流速下對(duì)CS2吸附-脫附影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同流速對(duì)活性炭吸附-脫附CS2的曲線

由圖3a可知，流速為625 mL/min時(shí)，活性炭對(duì)CS2飽和吸附量最大，為0.629 4 g/g；流速為500和795 mL/min時(shí)，活性炭對(duì)CS2飽和吸附量分別為0.559 1和0.518 7 g/g；流速小于625 mL/min，活性炭對(duì)CS2飽和吸附量隨著流速的增加而增加；流速大于625 mL/min，活性炭對(duì)CS2吸附量隨著流速的增加而降低。由圖3a還可知，流速為625 mL/min時(shí)，活性炭對(duì)CS2飽和吸附量平衡時(shí)間縮短，為45 min；流速為500和795 mL/min時(shí)，活性炭對(duì)CS2飽和吸附量平衡時(shí)間為75 min。由此可見(jiàn)，適當(dāng)增加流速不僅能提高活性炭對(duì)CS2飽和吸附量，也能縮短吸附平衡時(shí)間，提高吸附效率。流速過(guò)大，導(dǎo)致易揮發(fā)的CS2沒(méi)有被活性炭充分吸附，不利于吸附進(jìn)行[11]。

由圖3b可知，流速為625 mL/min時(shí)，活性炭對(duì)CS2殘存量最低，為0.384 2 g/g；流速為500和795 mL/min時(shí)，活性炭對(duì)CS2殘存量分別為0.400 3和0.467 4 g/g。由此可知，流速小于625 mL/min，活性炭對(duì)CS2殘存量隨著流速的增加而降低；當(dāng)流速大于625 mL/min，活性炭對(duì)CS2殘存量隨著流速的增加而增加。因此，流速過(guò)大也不利于脫附進(jìn)行。

2.3 CS2質(zhì)量濃度對(duì)CS2吸附、脫附性能的影響

在氮?dú)廨d氣流量為350 mL/min、CS2流量為150 mL/min、溫度25 ℃條件下，分別測(cè)定活性炭在CS2質(zhì)量濃度為1 317，1 643和2 092 mg/m3時(shí)對(duì)CS2吸附-脫附影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4a可知，CS2質(zhì)量濃度為2 092 mg/m3時(shí)，活性炭對(duì)CS2飽和吸附量最大，飽和吸附量為0.669 9 g/g；質(zhì)量濃度為1 317和1 643 mg/m3時(shí)，活性炭對(duì)CS2飽和吸附量分別為0.559 1和0.626 0 g/g。所以活性炭對(duì)CS2飽和吸附量隨著CS2質(zhì)量濃度增加而增加，這說(shuō)明當(dāng)吸附流速一定時(shí)，活性炭對(duì)CS2的吸附量與其濃度成正比，這可能是因?yàn)楦邼舛鹊腃S2使得吸附外部擴(kuò)散力增大，使得CS2在活性炭中吸附量增大[12]。由圖4a還可知，當(dāng)CS2質(zhì)量濃度為2 092 mg/m3時(shí)，活性炭對(duì)CS2吸附速率最快，達(dá)到吸附平衡時(shí)間為30 min；當(dāng)質(zhì)量濃度為1 317和1 643 mg/m3時(shí)，活性炭對(duì)CS2飽和吸附量平衡時(shí)間為90和60 min。由此可見(jiàn)，適當(dāng)增加CS2質(zhì)量濃度不僅能提高活性炭對(duì)CS2的飽和吸附量，也能縮短達(dá)到吸附平衡時(shí)間，提高吸附效率。

圖4 不同質(zhì)量濃度對(duì)活性炭吸附-脫附CS2的曲線

由圖4b可知，CS2質(zhì)量濃度為2 092 mg/m3時(shí)，活性炭對(duì)CS2殘存量最低，為0.394 2 g/g；CS2質(zhì)量濃度為1 317和1 643 mg/m3時(shí)，殘存量分別為0.400 3 和 0.421 3 g/g。由此可見(jiàn)，當(dāng)CS2質(zhì)量濃度小于1 643 mg/m3時(shí)，活性炭對(duì)CS2殘存量隨著CS2質(zhì)量濃度的增加而增加；大于1 643 mg/m3，活性炭對(duì)CS2殘存量隨著CS2質(zhì)量濃度的增加而降低?？梢?jiàn)，較大的CS2濃度有利于活性炭對(duì)CS2脫附。

2.4 氣流濕度對(duì)對(duì)CS2吸附、脫附性能的影響

CS2流量為150 mL/min，CS2質(zhì)量濃度為1 317 mg/m3，溫度為25 ℃條件下，分別測(cè)定活性炭在濕度分別為干燥狀態(tài)、25%和50%情況下對(duì)CS2吸附-脫附影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5a可知，在干燥狀態(tài)時(shí)，活性炭對(duì)CS2飽和吸附量最大，為0.559 1 g/g；在濕度為25%和50%時(shí)，活性炭對(duì)CS2飽和吸附量分別為0.548 2和0.519 4 g/g。由此可得，活性炭對(duì)CS2飽和吸附量隨著濕度增加而降低。濕度增加，不利于活性炭對(duì)CS2吸附，這與王稚真等[13]研究結(jié)果一致。這可能是因?yàn)樗魵獾拇嬖谟绊懥嘶钚蕴繉?duì)CS2的吸附，由于水蒸氣比CS2分子小，更容易擴(kuò)散，故活性炭先選擇吸附水蒸氣。當(dāng)活性炭吸附水蒸氣后，活性炭的有效吸附體積減小。同時(shí)由于二硫化碳是非極性分子，吸附水蒸氣的活性炭表面特性被改變，所以降低了活性炭對(duì)CS2的吸附量[14-15]。由圖5a還可知，在干燥狀態(tài)時(shí)，活性炭對(duì)CS2吸附速率最快。低濕狀態(tài)與干燥狀態(tài)相比，活性炭對(duì)CS2的吸附量影響不是很大。

由圖5b可知，在干燥狀態(tài)時(shí)，活性炭對(duì)CS2殘存量最低，為0.400 3 g/g；當(dāng)濕度為25%和50%時(shí)，活性炭對(duì)CS2殘存量分別為0.422 1和0.436 6 g/g。由此可見(jiàn)，活性炭對(duì)CS2殘存量隨著濕度的增加而增加。因此，濕度增加不利于脫附進(jìn)行。

2.5 最佳工藝條件

綜合上述研究結(jié)論可以發(fā)現(xiàn)：吸附溫度、氣體流速、CS2濃度和濕度等工況條件對(duì)活性炭CS2吸附量和殘存量均有較大影響，其中CS2質(zhì)量濃度對(duì)吸附的影響最大，而脫附殘存量主要與吸附溫度和CS2質(zhì)量濃度有關(guān)。為實(shí)現(xiàn)活性炭高效吸附和脫附，最佳工藝條件為：干燥狀態(tài)下，吸附溫度25 ℃，流速小于625 mL/min，CS2質(zhì)量濃度為1 643 mg/m3。

3 結(jié) 論

1)活性炭對(duì)CS2吸附量和殘存量隨著溫度升高而降低。升高溫度，不利于吸附進(jìn)行，有利于脫附進(jìn)行。當(dāng)流速小于625 mL/min，活性炭對(duì)CS2吸附量隨著流速的增加而增加，殘存量隨著流速的增加而降低；當(dāng)流速大于625 mL/min，活性炭對(duì)CS2吸附量隨著流速的增加而降低，殘存量隨著流速的增加而增加。

2)活性炭對(duì)CS2吸附量隨著CS2質(zhì)量濃度增加而增加。但當(dāng)CS2質(zhì)量濃度小于1 643 mg/m3時(shí)，殘存量隨著CS2質(zhì)量濃度的增加而增加；大于1 643 mg/m3，殘存量隨著CS2質(zhì)量濃度的增加而降低?；钚蕴繉?duì)CS2吸附量隨著濕度的增加而降低，殘存量隨著濕度增加而增加。

3)在干燥狀態(tài)下，活性炭對(duì)CS2吸附量最大。吸附溫度、氣體流速、CS2質(zhì)量濃度和濕度等工況條件對(duì)活性炭CS2吸附量和殘存量均有較大影響，其中CS2質(zhì)量濃度對(duì)吸附的影響最大，而脫附殘存量主要與吸附溫度和CS2質(zhì)量濃度有關(guān)。

由于在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，不同的操作條件很大程度影響活性炭對(duì)氣體的吸附及脫附性能，為了提高活性炭的高效吸附和脫附性能，活性炭對(duì)CS2吸附最佳工藝條件為：干燥狀態(tài)下，吸附溫度25 ℃，流速小于625 mL/min，CS2質(zhì)量濃度1 643 mg/m3。這為實(shí)際工業(yè)應(yīng)用提高活性炭吸附、脫附CS2效率提供了理論基礎(chǔ)。