谷 宇，宋美麗，董永花，辛德旺，楊向龍，常素萍

（1.國能寧夏煤業(yè)公司煤制油化工質(zhì)檢計量中心，寧夏銀川，750411；2.國能寧夏煤業(yè)公司煤炭化學工業(yè)技術研究院，寧夏銀川，750411）

國能寧夏煤業(yè)公司400 萬t·a-1煤炭間接液化示范項目中，油品合成裝置的脫碳液系統(tǒng)采用V2O5作為緩蝕劑，利用V5+的強氧化性，在反應裝置的碳鋼表面形成一層致密的鈍化膜，以阻止碳鋼的陽極化過程，使碳鋼的電極電位進入鈍化電位區(qū)域，以抵抗脫碳液對反應器等裝置的腐蝕作用[1]。同時，對鐵離子含量、總釩和V5+濃度進行定期監(jiān)測，根據(jù)檢測結(jié)果，調(diào)整脫碳溶液中緩蝕劑的添加量，以確保鈍化膜的穩(wěn)定存在，實現(xiàn)裝置的穩(wěn)定運行。

在運行初期，由于工業(yè)雜質(zhì)等原因，油品合成裝置的脫碳溶液中存在鐵離子超標的情況。超標的鐵離子會與溶液系統(tǒng)中的釩反應生成釩酸鐵沉淀，不僅堵塞塔設備填料，造成塔阻力增大，而且不利于脫碳液中鐵離子的穩(wěn)定監(jiān)測和控制，對設備安全構(gòu)成隱患。由于活性炭表面帶微弱電荷，會與水中的鐵離子等金屬離子產(chǎn)生離子交換吸附和絡合反應，吸附效果好，且成本低，吸附操作簡單，因此常采取加入活性炭進行吸附處理的措施，來降低脫碳液中鐵離子的含量[2]。

為了篩選出吸附效果更好的活性炭，本文搜集了國內(nèi)外10 個廠家13 個牌號的活性炭產(chǎn)品，采用靜態(tài)吸附法，系統(tǒng)研究了外觀形態(tài)、吸附時間、吸附溫度對活性炭吸附效果的影響，并對吸附后的活性炭粉化率進行了對比評價，以期為工業(yè)生產(chǎn)中活性炭的選擇和應用提供數(shù)據(jù)支持。

1 實驗部分

1.1 實驗設備與試劑

Agilent Cary 60 型，紫外可見分光光度計，DK-98-ⅡA 型恒溫水浴。

十二水合硫酸鐵銨(優(yōu)級純)，濃硝酸(分析純)，鹽酸(分析純)，磺基水楊酸(分析純)，過氧化氫溶液(分析純，濃度30%)，磺基水楊酸溶液(10%)，鹽酸溶液(1+11)，氨水溶液(1+1)。

市售的進口A 廠家和9 個國產(chǎn)廠家共13 個牌號的活性炭產(chǎn)品，分別記為進口A、國產(chǎn)B-X、國產(chǎn)B-Y、國產(chǎn)C、國產(chǎn)D、國產(chǎn)E-X、國產(chǎn)E-Y、國產(chǎn)F-X、國產(chǎn)F-Y、國產(chǎn)G、國產(chǎn)H、國產(chǎn)I、國產(chǎn)J。

1.2 實驗方法

1.2.1 活性炭吸附脫碳液中鐵離子

取10L 脫碳貧液作為樣品，取上層清液分析初始鐵含量。稱量30g 不同廠家的活性炭于250mL三角瓶中，加入200mL 溶液，搖動2min。分別吸附24h、48h 和72h，將部分樣品用濾紙過濾后，采用磺基水楊酸法，測定取樣試管中的鐵離子含量，根據(jù)式（1）計算活性炭對鐵離子的去除率η。

式中，C0為脫碳上層清液中初始鐵含量，C吸附為活性炭吸附一定時間后的鐵離子含量。

1.2.2 磺基水楊酸法測定鐵離子含量

移取樣品溶液10mL 于250mL 燒杯中，加8mL過氧化氫溶液，搖勻后放置2min。在電爐上加熱5min 除去一部分有機物色澤后，脫碳液由黑色變?yōu)榱辆G色，自然冷卻后加5mL 濃硝酸，加熱除去過氧化氫及氮氧化物，小心蒸至近干。加少許水后轉(zhuǎn)移至100mL 容量瓶中定容。取上述溶液10mL 于50mL 容量瓶中，加磺基水楊酸溶液10mL，用氨水溶液中和至淡黃色，再加入1mL 氨水，加水定容后放置10min。于420nm 下比色測定其吸光度，于標準曲線上查出相應的鐵含量[3]。

1.2.3 粉化率的測定

取200mL 脫碳貧液于三角燒瓶中，稱量30g 活性炭吸附劑放入燒瓶中，玻璃棒攪動5min。常溫下保持24h，將含有活性炭顆粒的脫碳貧液用濾紙過濾后，拾取未粉化的活性炭顆粒，剩余濾餅和濾紙在常溫下干燥24h。稱量干燥后的濾紙和濾餅的質(zhì)量，根據(jù)式（2）計算活性炭的粉化率。

式中，m活性炭為30g 活性炭的質(zhì)量，m濾紙為濾紙的質(zhì)量，m干燥后為干燥后的濾紙和濾餅的質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同廠家活性炭的吸附能力對比

對比分析了常溫常壓下，不同廠家、不同型號的活性炭對脫碳貧液中鐵離子的吸附能力（表1）。可以看出，13 種活性炭吸附劑中，4 種國產(chǎn)的柱狀活性炭F-X、F-Y、I-X 和I-Y 對鐵離子有較明顯的吸附效果，所搜集的粉狀和顆粒小球狀的活性炭對鐵離子的吸附效果不明顯。柱狀活性炭中，G、H 和J 對鐵離子的吸附效果也不明顯，可見活性炭的吸附效果與外觀形狀沒有直接的關聯(lián)，而與活性炭的比表面積和微孔數(shù)量等因素有關[4]。

表1 不同廠家的吸附劑吸附不同時間后鐵離子含量（常溫常壓）

2.2 4 種優(yōu)選的活性炭對鐵離子去除率的對比

計算了4 種優(yōu)選的活性炭在常溫常壓下對鐵離子的去除率η。從表2 和圖1 可以看出，4 種優(yōu)選的活性炭中，國產(chǎn)F-X 對脫碳液中鐵離子的吸附能力最強，相同的吸附時間下對鐵離子的去除率最高，且72h 內(nèi)對鐵離子的最大去除率達到了25.7%，遠遠高于其他3 種活性炭。4 種活性炭的吸附曲線隨時間的變化趨勢略有不同，國產(chǎn)F-Y、I-X 及I-Y 對鐵離子的去除率均隨吸附時間的延長而逐漸提高，而國產(chǎn)F-X 對鐵離子去除率隨吸附時間的延長而迅速變大，在48h 達到最大后隨時間延長略有降低。

表2 4 種優(yōu)選活性炭對鐵離子的去除率（常溫常壓）

圖1 4 種優(yōu)選活性炭對鐵離子的去除率對比圖

2.3 活性炭粉化率的對比研究

對優(yōu)選出的4 種活性炭在常溫常壓下吸附后的粉化率進行了分析對比。從圖2 可以看出，國產(chǎn)I廠家的2 種活性炭I-X 及I-Y 的粉化率，略低于國產(chǎn)F 廠家的2 種活性炭F-X 及F-Y。活性炭粉化率的不同是其機械強度的不同導致的，在工業(yè)應用中，活性炭的粉化率越低，越有利于生產(chǎn)的平穩(wěn)運行。

圖2 不同活性炭的粉化率對比圖

2.4 不同吸附溫度下活性炭吸附效果的對比

常壓下進一步考察了吸附效果最好的活性炭國產(chǎn)F-X 在不同溫度下對鐵離子的吸附效果，并對鐵離子的去除率進行了計算分析。從表3 和圖3 可以看出，國產(chǎn)F-X 在不同溫度下對鐵離子的吸附效果不同，在常溫下的吸附效果明顯，升溫到80℃時，吸附效果大幅下降，對鐵離子的最大去除率從25.7%降到5.9%，說明溫度對活性炭吸附效果的影響較大。這是由于80℃時，溶液的黏度減小，相互作用的范德華力和化學鍵力均減弱，分子的運動及碰撞加劇，使得分子對初始位置的偏離增大，促進了溶質(zhì)分子擴散，從而加速了活性炭孔中先吸附物質(zhì)的置換，對鐵離子的吸附作用減弱[5-6]。

圖3 不同溫度下活性炭對鐵離子的最大去除率

表3 不同溫度下吸附不同時間后的鐵離子含量（常壓）

3 結(jié)論

常溫常壓下，活性炭的吸附效果與外觀形狀沒有直接的關聯(lián)。13 種活性炭吸附劑中，4 種國產(chǎn)柱狀活性炭F-X、F-Y、I-X 和I-Y 對鐵離子有較明顯的吸附效果，其中國產(chǎn)的F-X 對脫碳液中鐵離子的吸附效果最強，I-X 及I-Y 的粉化率略低于F-X 及F-Y。常壓下，進一步考察了國產(chǎn)F-X 在不同溫度下對鐵離子的吸附效果，結(jié)果表明不同溫度下，國產(chǎn)F-X 對鐵離子的吸附效果不同，在常溫下的吸附效果明顯，升溫到80℃時，吸附效果大幅下降，對鐵離子的最大去除率從25.7%降到5.9%。本文研究的是常壓下的靜態(tài)吸附效果，實際生產(chǎn)裝置中，活性炭的過濾吸附效果受到多個參數(shù)如壓力、流速、溫度、系統(tǒng)中的鐵離子濃度等的共同作用和影響，因此需要進一步深入研究動態(tài)吸附條件下的吸附效果。