活性炭對低沸點總烴氣體吸附和解吸的影響

　　石化(hua)(hua)廠(chang)的(de)(de)產(chan)品儲(chu)存設(she)施中(zhong)(zhong)會(hui)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)C2至C18之間(jian)的(de)(de)多種碳(tan)氫化(hua)(hua)合(he)物，其(qi)(qi)中(zhong)(zhong)丙烯和乙烯分別占(zhan)石化(hua)(hua)廠(chang)THC排放(fang)(fang)量的(de)(de)第(di)一大和第(di)二(er)。這兩種氣體在塑料(liao)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)過程(cheng)中(zhong)(zhong)用(yong)(yong)作單(dan)體或(huo)共聚(ju)單(dan)體，所生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)產(chan)品的(de)(de)儲(chu)存設(she)施預計(ji)也(ye)會(hui)出現類似(si)的(de)(de)趨(qu)勢。通常采用(yong)(yong)的(de)(de)去(qu)除工(gong)藝(yi)包(bao)括濕式洗滌器、通過火(huo)炬煙囪的(de)(de)開(kai)放(fang)(fang)燃燒以(yi)及使用(yong)(yong)吸附(fu)(fu)(fu)劑吸附(fu)(fu)(fu)來控制石化(hua)(hua)廠(chang)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)THC，而且吸附(fu)(fu)(fu)系(xi)統是處理乙烯和丙烯等低(di)沸(fei)點THC氣體的(de)(de)最合(he)適技術(shu)之一。在這項研究中(zhong)(zhong)，我們選(xuan)擇(ze)了能夠有效(xiao)吸附(fu)(fu)(fu)石化(hua)(hua)儲(chu)存設(she)施中(zhong)(zhong)總碳(tan)氫化(hua)(hua)合(he)物THC的(de)(de)材料(liao)，并應(ying)用(yong)(yong)四種類型的(de)(de)活性炭來吸附(fu)(fu)(fu)THC以(yi)評(ping)估其(qi)(qi)特性。

　　吸附和解吸實驗

　　使(shi)用(yong)直徑3cm、高(gao)20cm的(de)石(shi)(shi)英反(fan)(fan)應(ying)器，反(fan)(fan)應(ying)器內安(an)裝床(chuang)并(bing)填充活性(xing)炭。對(dui)于吸(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)實驗，在總進(jin)料濃度為100ppm的(de)條(tiao)件下，將5g活性(xing)炭放入石(shi)(shi)化反(fan)(fan)應(ying)器中，THC流量(liang)(liang)為100mL/min。空速取決于活性(xing)炭的(de)密(mi)度，在0.014-0.158s-1范圍內變化。使(shi)用(yong)火焰離子(zi)化檢測器對(dui)通過活性(xing)炭的(de)氣(qi)體(ti)進(jin)行(xing)(xing)實時(shi)定(ding)量(liang)(liang)分(fen)析(xi)。THC的(de)氣(qi)味閾值和(he)刺激水(shui)平在十億分(fen)之一(yi)的(de)水(shui)平，吸(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)劑(ji)的(de)總吸(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)能力(li)很(hen)難用(yong)作(zuo)從石(shi)(shi)化儲(chu)存設(she)施中去除THC廢氣(qi)的(de)設(she)備(bei)的(de)設(she)計(ji)因素。因此，我們(men)檢測并(bing)計(ji)算了突破(po)點(dian)處小于1ppm的(de)有效吸(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)容(rong)量(liang)(liang)。當(dang)達到有效吸(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)時(shi)停止吸(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)實驗，然后立即開始有效解(jie)吸(xi)(xi)反(fan)(fan)應(ying)。使(shi)用(yong)相同(tong)的(de)反(fan)(fan)應(ying)器和(he)方法進(jin)行(xing)(xing)解(jie)吸(xi)(xi)反(fan)(fan)應(ying)。吸(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)和(he)解(jie)吸(xi)(xi)反(fan)(fan)應(ying)在室溫(25℃)和(he)大氣(qi)壓下進(jin)行(xing)(xing)。在室溫下以100mL/min的(de)速率釋放氮氣(qi)，對(dui)通過反(fan)(fan)應(ying)器的(de)氣(qi)體(ti)進(jin)行(xing)(xing)定(ding)量(liang)(liang)分(fen)析(xi)。

　　活性炭的特性

　　一般來說，吸附劑的比表面積和孔隙特性對吸附容量影響很大。因此，我們希望通過活化來改變吸附劑的比表面積和孔隙特性。煤質活性炭和果殼活性炭在化學活化后比表面積和孔體積大幅增加，微孔體積增加>2倍。與外部孔體積恒定(尺寸<2nm)相比，外部孔體積增加了>3倍。使用掃描電子顯微(wei)鏡分析表(biao)(biao)明，碳(tan)(tan)織構和(he)(he)(he)孔(kong)隙度(du)的(de)(de)(de)發展受到化(hua)學活(huo)(huo)(huo)化(hua)特性(xing)的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)，如(ru)圖(tu)1所示。兩(liang)種具有(you)相似(si)的(de)(de)(de)形態，表(biao)(biao)面(mian)光滑(hua)，無孔(kong)。活(huo)(huo)(huo)化(hua)后，活(huo)(huo)(huo)性(xing)炭產生(sheng)更粗糙(cao)的(de)(de)(de)紋(wen)理，具有(you)異(yi)質表(biao)(biao)面(mian)和(he)(he)(he)增加的(de)(de)(de)隨機分布(bu)孔(kong)徑(jing)。原(yuan)材(cai)料(liao)和(he)(he)(he)活(huo)(huo)(huo)化(hua)材(cai)料(liao)在活(huo)(huo)(huo)化(hua)時的(de)(de)(de)比較顯示了(le)它們(men)(men)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)特性(xing)。此外，我們(men)(men)還使用EDS分析了(le)作為吸附劑的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)活(huo)(huo)(huo)性(xing)炭上的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(C)、氧(O)和(he)(he)(he)鉀(K)原(yuan)子。表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)(de)元(yuan)素和(he)(he)(he)原(yuan)子如(ru)圖(tu)1所示。從結(jie)果來看，兩(liang)種活(huo)(huo)(huo)性(xing)炭的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)比分別為97.26和(he)(he)(he)96.55。化(hua)學活(huo)(huo)(huo)化(hua)后，通過增加碳(tan)(tan)密度(du)來提高他們(men)(men)的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)比。化(hua)學活(huo)(huo)(huo)化(hua)后的(de)(de)(de)洗滌過程減少了(le)無機成分鉀。

　　圖(tu)1：(a)碳化果殼、(b)煤炭(tan)、(c)果殼活性(xing)炭(tan)和(he)(d)煤質活性(xing)炭(tan)的SEM圖(tu)像和(he)EDS分(fen)析的元素比(bi)例。

　　活性炭的吸附特性

　　將四種活(huo)(huo)(huo)(huo)性(xing)炭(tan)(tan)應(ying)(ying)用于(yu)低沸點(dian)混(hun)合(he)氣(qi)體吸(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)的(de)(de)結果如(ru)圖2所示。無論活(huo)(huo)(huo)(huo)化如(ru)何，棕櫚(lv)基活(huo)(huo)(huo)(huo)性(xing)炭(tan)(tan)都表(biao)現出比煤基活(huo)(huo)(huo)(huo)性(xing)炭(tan)(tan)更高(gao)的(de)(de)吸(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)能(neng)力(li)。對(dui)(dui)于(yu)棕櫚(lv)基活(huo)(huo)(huo)(huo)性(xing)炭(tan)(tan)和煤基活(huo)(huo)(huo)(huo)性(xing)炭(tan)(tan)來說，失活(huo)(huo)(huo)(huo)狀態更有利于(yu)吸(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)。考慮到活(huo)(huo)(huo)(huo)化后比表(biao)面(mian)積(ji)增加，觀察(cha)到比表(biao)面(mian)積(ji)對(dui)(dui)低沸點(dian)THC氣(qi)體的(de)(de)吸(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)能(neng)力(li)沒有顯著影響。吸(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)容量(吸(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)劑的(de)(de)固有特性(xing))會因(yin)吸(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)位(wei)點(dian)數量的(de)(de)減少或解(jie)吸(xi)(xi)(xi)反(fan)應(ying)(ying)的(de)(de)促進而降(jiang)(jiang)低。因(yin)此，材料的(de)(de)吸(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)能(neng)力(li)會由于(yu)吸(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)位(wei)點(dian)數量的(de)(de)減少或由于(yu)活(huo)(huo)(huo)(huo)化過程后活(huo)(huo)(huo)(huo)性(xing)炭(tan)(tan)表(biao)面(mian)上的(de)(de)孔(kong)徑分布的(de)(de)變化而加速解(jie)吸(xi)(xi)(xi)反(fan)應(ying)(ying)而降(jiang)(jiang)低。因(yin)此，應(ying)(ying)研究(jiu)影響這兩種可能(neng)性(xing)之間的(de)(de)有效(xiao)吸(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)能(neng)力(li)的(de)(de)因(yin)素。

　　圖2：低沸點氣體吸(xi)附實驗結果(guo)(吸(xi)附劑(ji)5g，進料氣體濃度：100ppm，吸(xi)附流量(liang)：100mL/min，吸(xi)附溫度：25℃)。

　　由于其結構特征(zheng)，碳氫化(hua)合(he)物的(de)吸(xi)(xi)附取(qu)決于吸(xi)(xi)附劑表(biao)面(mian)的(de)極性(xing)。特別是(shi)對于石化(hua)儲(chu)存設施中(zhong)產生(sheng)的(de)低(di)沸點(dian)氣體(ti)中(zhong)占很大(da)比例的(de)乙烯和(he)丙烯等烯烴，吸(xi)(xi)附在(zai)極化(hua)吸(xi)(xi)附劑表(biao)面(mian)上(shang)占主導地(di)位。活(huo)性(xing)炭(tan)表(biao)面(mian)的(de)極性(xing)程度受表(biao)面(mian)氧(yang)官能團的(de)鍵合(he)狀態(tai)和(he)數量的(de)影響。然而，盡(jin)管本研究中(zhong)表(biao)面(mian)氧(yang)的(de)數量總體(ti)增(zeng)加，但(dan)活(huo)化(hua)后吸(xi)(xi)附容(rong)量卻降低(di)。因此(ci)，表(biao)面(mian)氧(yang)基團并(bing)不是(shi)增(zeng)加吸(xi)(xi)附容(rong)量的(de)主要因素。

　　活性炭的解吸特性

　　活(huo)性炭(tan)表面(mian)微(wei)孔體積(ji)(ji)與(yu)外部孔體積(ji)(ji)之比(bi)越高，解(jie)(jie)吸反(fan)(fan)應就越困難，因為已吸附(fu)的(de)氣(qi)體必須(xu)通過復雜而(er)長的(de)通道(dao)釋放。相反(fan)(fan)，較低對應于表面(mian)上(shang)較大體積(ji)(ji)的(de)大直徑孔。即使吸附(fu)物被深深地吸附(fu)到(dao)活(huo)性炭(tan)表面(mian)，解(jie)(jie)吸反(fan)(fan)應也可以沿著寬闊而(er)簡單的(de)通道(dao)輕(qing)松快速地進(jin)行。也就是說，活(huo)性炭(tan)表面(mian)的(de)比(bi)率越高，解(jie)(jie)吸反(fan)(fan)應受(shou)到(dao)的(de)抑制程度就越大，從而(er)導致(zhi)吸附(fu)容量越高。

　　結果表明，隨著解(jie)吸(xi)通道變(bian)得更寬和更簡單，活(huo)化通過(guo)降(jiang)低(di)(di)吸(xi)附(fu)容量來促進(jin)解(jie)吸(xi)反(fan)應。為(wei)了解(jie)釋低(di)(di)沸(fei)點(dian)THC依賴于(yu)孔隙，對解(jie)吸(xi)進(jin)行了建模，如圖3所(suo)示。比率越(yue)高(gao)，對應的吸(xi)附(fu)容量越(yue)高(gao);它(ta)表示活(huo)性(xing)(xing)炭表面(mian)孔徑分布(bu)與低(di)(di)沸(fei)點(dian)氣體(ti)(ti)有效吸(xi)附(fu)能(neng)力之間的相關性(xing)(xing)。低(di)(di)沸(fei)點(dian)氣體(ti)(ti)在(zai)吸(xi)附(fu)過(guo)程(cheng)中被強(qiang)烈解(jie)吸(xi)，并且(qie)由于(yu)活(huo)化過(guo)程(cheng)中促進(jin)解(jie)吸(xi)反(fan)應的表面(mian)性(xing)(xing)質的變(bian)化，吸(xi)附(fu)能(neng)力可能(neng)下(xia)降(jiang)。

　　圖3：根據(ju)活性(xing)炭表面孔隙特征的(de)解(jie)吸(xi)反(fan)應示意圖(點(dian)：吸(xi)附質，箭頭：解(jie)吸(xi)反(fan)應)。

　　進料氣體的影響

　　在本研(yan)究(jiu)中(zhong)的(de)吸附(fu)劑(ji)中(zhong)，果殼(ke)活(huo)性(xing)炭對(dui)四種低(di)沸(fei)(fei)(fei)點(dian)(dian)(dian)(dian)THC氣體表現出(chu)最(zui)高的(de)有(you)效吸附(fu)能力。在現場條件(jian)下，使(shi)用(yong)低(di)沸(fei)(fei)(fei)點(dian)(dian)(dian)(dian)和(he)高沸(fei)(fei)(fei)點(dian)(dian)(dian)(dian)混合THC氣體。這(zhe)里描述的(de)實驗是在不同的(de)進料條件(jian)下進行的(de)，如(ru)下：(1)100ppm甲(jia)烷(wan)(bp-162℃)，(2)100ppm低(di)沸(fei)(fei)(fei)點(dian)(dian)(dian)(dian)THC(乙烯bp-103.7℃，乙烷(wan)bp)-89℃，丙烯沸(fei)(fei)(fei)點(dian)(dian)(dian)(dian)-47.6℃，丙烷(wan)沸(fei)(fei)(fei)點(dian)(dian)(dian)(dian)-42℃)，以及(ji)混合THC，包(bao)括30ppm己(ji)烷(wan)(沸(fei)(fei)(fei)點(dian)(dian)(dian)(dian)69℃)和(he)70ppm低(di)沸(fei)(fei)(fei)點(dian)(dian)(dian)(dian)THC，在果殼(ke)活(huo)性(xing)炭下進行100毫升(sheng)/分(fen)鐘。如(ru)圖4所示，甲(jia)烷(wan)、低(di)沸(fei)(fei)(fei)點(dian)(dian)(dian)(dian)THCs和(he)混合THCs的(de)有(you)效吸附(fu)容量分(fen)別為(wei)0.0462mg/g、0.072mg/g和(he)2.884mg/g。這(zhe)些結果表明沸(fei)(fei)(fei)點(dian)(dian)(dian)(dian)與有(you)效吸附(fu)容量成反比。

　　圖4：吸附物的(de)解(jie)吸速(su)率(lv)(吸附劑5g，進料氣體(ti)濃度：100ppm，吸附流量(liang)：100mL/min，吸附溫度：25℃)。

　　活性(xing)(xing)(xing)(xing)炭對(dui)低(di)沸(fei)(fei)點總烴氣體(ti)(ti)吸(xi)(xi)附(fu)和(he)解(jie)吸(xi)(xi)的(de)(de)(de)影響(xiang)，我(wo)(wo)(wo)們(men)(men)研(yan)究(jiu)(jiu)了(le)(le)(le)能(neng)夠有(you)(you)效吸(xi)(xi)收石(shi)化(hua)產品(pin)儲存設施中產生的(de)(de)(de)低(di)沸(fei)(fei)點氣體(ti)(ti)(即乙烯(xi)、乙醇、丙烯(xi)和(he)丙烷)的(de)(de)(de)材(cai)料的(de)(de)(de)特性(xing)(xing)(xing)(xing)。低(di)沸(fei)(fei)點氣體(ti)(ti)具有(you)(you)極低(di)的(de)(de)(de)吸(xi)(xi)附(fu)/解(jie)吸(xi)(xi)能(neng)。因(yin)此(ci)，吸(xi)(xi)附(fu)和(he)解(jie)吸(xi)(xi)反(fan)(fan)應同時發(fa)(fa)生。為(wei)了(le)(le)(le)提高低(di)沸(fei)(fei)點THCs的(de)(de)(de)吸(xi)(xi)附(fu)能(neng)力，需要(yao)選擇(ze)既能(neng)促(cu)進吸(xi)(xi)附(fu)又(you)能(neng)抑制解(jie)吸(xi)(xi)的(de)(de)(de)吸(xi)(xi)附(fu)劑。因(yin)此(ci)，我(wo)(wo)(wo)們(men)(men)比較了(le)(le)(le)果(guo)殼(ke)活性(xing)(xing)(xing)(xing)炭和(he)煤質活性(xing)(xing)(xing)(xing)炭的(de)(de)(de)吸(xi)(xi)附(fu)能(neng)力，并(bing)(bing)研(yan)究(jiu)(jiu)了(le)(le)(le)它們(men)(men)在化(hua)學活化(hua)前后的(de)(de)(de)表面特性(xing)(xing)(xing)(xing)。我(wo)(wo)(wo)們(men)(men)進一步(bu)研(yan)究(jiu)(jiu)了(le)(le)(le)活性(xing)(xing)(xing)(xing)炭表面的(de)(de)(de)氧是否可以作(zuo)為(wei)吸(xi)(xi)附(fu)反(fan)(fan)應中的(de)(de)(de)吸(xi)(xi)附(fu)位點。然而(er)，沒(mei)有(you)(you)發(fa)(fa)現與低(di)沸(fei)(fei)點氣體(ti)(ti)的(de)(de)(de)吸(xi)(xi)附(fu)能(neng)力的(de)(de)(de)相關(guan)性(xing)(xing)(xing)(xing)。暴露在外(wai)表面的(de)(de)(de)大孔和(he)與之相連的(de)(de)(de)中孔作(zuo)為(wei)吸(xi)(xi)附(fu)劑的(de)(de)(de)通(tong)道，微(wei)(wei)孔是主要(yao)的(de)(de)(de)吸(xi)(xi)附(fu)位點。因(yin)此(ci)，比率對(dui)于(yu)吸(xi)(xi)附(fu)至關(guan)重要(yao)。我(wo)(wo)(wo)們(men)(men)發(fa)(fa)現隨著(zhu)比率的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)，吸(xi)(xi)附(fu)容量呈增(zeng)加(jia)趨勢。由于(yu)其材(cai)料特性(xing)(xing)(xing)(xing)，果(guo)殼(ke)活性(xing)(xing)(xing)(xing)炭表面微(wei)(wei)孔豐富，外(wai)部(bu)孔隙很(hen)少(shao)。因(yin)此(ci)，吸(xi)(xi)附(fu)的(de)(de)(de)低(di)沸(fei)(fei)點氣體(ti)(ti)必須通(tong)過復雜而(er)長的(de)(de)(de)通(tong)道解(jie)吸(xi)(xi)，這抑制了(le)(le)(le)解(jie)吸(xi)(xi)反(fan)(fan)應并(bing)(bing)增(zeng)加(jia)了(le)(le)(le)吸(xi)(xi)附(fu)容量。這些結果(guo)與之前發(fa)(fa)表的(de)(de)(de)報告一致，表明吸(xi)(xi)附(fu)能(neng)力取決于(yu)孔徑(jing)的(de)(de)(de)分布(bu)，而(er)不是多孔碳的(de)(de)(de)比表面積。

本文鏈接：//xahuarui.com/hangye/hy1258.html

查看更多分類請點擊：公司資訊    行業新聞    媒體報導    百科知識