石油焦基活性炭的制備及甲烷吸附性能

郭紅娜，張永春

（大連理工大學(xué)化工學(xué)院，遼寧大連116024）

我國煤層氣資源儲量豐富，居世界第三位［1］，但其利用率低，主要原因是低濃度甲烷的提純分離問題沒有解決［2－3］。在煤礦開采過程中，有70%的煤層氣通過煤礦乏風(fēng)排出［4］。甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳的2123倍，對臭氧的破壞能力是二氧化碳的7倍；同時高濃度的煤層氣不僅可以作為民用及工業(yè)原料，還可以當(dāng)做化工原料用來生產(chǎn)C1化工產(chǎn)品及合成油［5］。因此，研究低濃度煤層氣的濃縮與分離引起了人們越來越多的關(guān)注。

目前，常用的煤層氣濃縮與分離的方法主要有低溫蒸餾法［6］、吸附分離法及膜分離法［7］等。其中吸附分離法具有能耗低、流程簡單、操作簡便、環(huán)境效益好等優(yōu)點［8］。吸附分離法的關(guān)鍵是吸附劑的選擇，對吸附劑的要求是大的比表面積、高的吸附容量、良好的選擇吸附能力、較高的機械強度及再生性。活性炭以其便宜的價格、良好的分離效果，受到了人們廣泛的關(guān)注。王琰［9］制備的TJU01活性炭，在296 K和0.4 MPa下對甲烷的吸附量為0.57 mmol／g。張曉環(huán)［10］用磷酸活化椰殼炭化料制備的活性炭，在283 K和0.1 MPa下對甲烷的吸附量是7.149 m L／g。雷利春［4］選用商業(yè)AC－1在298 K和0.5 MPa下對甲烷的吸附量為12.925 m L／g。Yuan等［11］用軟模板法制備了一種中孔碳，在298 K、0.1 MPa下甲烷的吸附量為1.05 mmol／g。Liu等［12］研究發(fā)現(xiàn)，微孔范圍在0.71.3 nm的活性炭更利于甲烷的分離。

本文以盤錦石油焦為原料制備的高比表面積活性炭（HSAAC）為吸附劑，采用動態(tài)吸附實驗裝置，考察了不同預(yù)處理條件及活化方法對甲烷吸附性能的影響，并研究了粉末活性炭成型情況及再生性能，為分離濃縮低濃度甲烷技術(shù)提供應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

石油焦（PC），工業(yè)品；KOH、羧甲基纖維素鈉 （CMC）、高氯酸、雙氧水、鹽酸、硝酸等均為分析純；石油焦基活性炭，自制；N2純度為99.999%，CH4／N2混合氣中甲烷濃度為0.993%。

1.2 吸附劑的制備及表征

1.2.1 石油焦的預(yù)處理

配制20%的氧化劑溶液，將氧化劑與PC按照一定液固比，在一定的改性溫度下改性一定時間，后水洗至中性、110℃烘箱中干燥3 h，得到預(yù)處理PC。經(jīng)H2O2改性后的石油焦記為H2O2－PC。

1.2.2 活性炭的制備

KOH與PC按一定質(zhì)量比混合均勻，在馬弗爐中N2氣氛保護下800℃活化1 h，冷卻至室溫，所得固體先酸洗后水洗至濾液為中性，110℃烘箱中干燥3 h得石油焦基活性炭。未經(jīng)處理的石油焦制備的活性炭記為AC，H2O2處理的石油焦制備的活性炭記為H2O2－AC。

1.2.3 活性炭的成型

將CMC、水和活性炭粉末按一定的質(zhì)量比混合均勻，置于帶孔磨具中，用壓片機在一定壓力下擠成直徑為2 mm的條，經(jīng)60℃干燥3 h，200℃焙燒1 h得柱狀活性炭，記為CMC－AC。

1.2.4 石油焦與活性炭的表征

樣品的比表面積、孔容及孔徑分布利用北京精微高博科技有限公司JW－BK型靜態(tài)吸附比表面測試儀測定，采用BET公式計算比表面積，HK公式計算微孔孔徑分布及孔容。用Thermo公司Nicolet Nexus型傅里葉變換紅外光譜儀分析樣品的結(jié)構(gòu)。利用大連化工研究設(shè)計院的DLⅡ型智能顆粒強度測定儀測定條狀活性炭的軸向強度和徑向強度。

1.3 甲烷吸附裝置及穿透曲線測定

實驗采用動態(tài)法吸附實驗裝置 （圖1）測定甲烷的穿透曲線。

圖1 動態(tài)吸附實驗裝置

首先通入氮氣對吸附柱沖壓至0.6 MPa，關(guān)閉氮氣；使原料氣以100 m L／min的流速通過裝有2 g吸附劑的吸附柱；出口氣體濃度用福立GC－9790（FID檢測器）在線分析，得到不同吸附時間下流出氣體的組成，以出口氣體組成對應(yīng)吸附時間作圖得甲烷的穿透曲線。甲烷穿透吸附量和飽和吸附量根據(jù)吸附穿透曲線計算得到［13］。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理石油焦制備活性炭的正交實驗結(jié)果及分析

表1 預(yù)處理石油焦制備活性炭的正交實驗設(shè)計及結(jié)果

從表1可以看出，極差大小順序為C＞B＞D＞A，即在4個因素中，對活性炭比表面積影響的大小順序為：改性時間＞液固比＞改性溫度＞氧化劑種類；對設(shè)計的三水平而言，最利于HSAAC制備的工藝參數(shù)組合是A2B3C2D3，即以H2O2為氧化劑、液固比為30 m L／g，改性時間為6 h，改性溫度為60℃。實驗在堿焦比為3的條件下所得活性炭的最大比表面積是2448 m2／g。

2.2 雙氧水改性石油焦方法不同對活性炭吸附性能的影響

2.2.1 雙氧水改性時間的影響

在石油焦制備HSAAC的預(yù)處理階段加入氧化劑可以改變其表面官能團和酸堿性，官能團的改變會對活化過程造成影響，從而改變活性炭的吸附性能。圖2為雙氧水作氧化劑，堿焦比為3時，改性時間不同對甲烷吸附性能的影響。從圖2中可以看出，雙氧水預(yù)改性石油焦可以提高活性炭的甲烷吸附性能，說明了雙氧水作氧化劑，對石油焦表面官能團具有一定的修飾作用；并且穿透時間隨改性時間的延長而增加，當(dāng)預(yù)處理時間大于6 h后，增長的趨勢變得緩慢，考慮到其經(jīng)濟性和可行性，預(yù)處理時間為6 h較適合。

圖3是雙氧水改性前后石油焦的紅外譜圖。3450 cm－1處譜峰是O—H伸縮振動，歸屬為樣品表面羥基或者吸附的水，1638 cm－1處譜峰是碳材料的特征峰，歸屬于苯環(huán) ═C C鍵的伸縮振動，1398 cm－1處峰歸屬為烷基基團變形振動，1200 cm－1左右是C—O—C、C—O的伸縮振動。與未經(jīng)改性的石油焦相比，經(jīng)過雙氧水處理的石油焦在波數(shù)1398 cm－1處的峰強度減弱，說明經(jīng)過雙氧水預(yù)處理后，石油焦的表面烷基基團減少。Jiang等［17］認為，在改性過程中，石油焦表面的烷基基團被氧化成含氧官能團。含氧官能團的增加利于石油焦的活化，從而提高了活性炭的性能。

圖2 改性時間不同對甲烷吸附性能的影響

圖3 H 2 O2處理前后石油焦的紅外譜圖

2.2.2 液固比的影響

圖4是不同液固比下，堿焦比為3時預(yù)處理石油焦制備活性炭的甲烷吸附穿透曲線。從圖4可以看出，用雙氧水處理過的石油焦，活性炭的甲烷吸附量有明顯提高。但是液固比為10 m L／g與20 m L／g時，甲烷的吸附量無明顯差異；當(dāng)液固比增至30 m L／g時，甲烷的吸附量有所下降。綜合考慮，液固比為10 m L／g時較適合。

圖4 液固比對甲烷吸附性能的影響

2.3 石油焦活化過程對活性炭甲烷吸附性能的影響

2.3.1 石油焦粒度的影響

圖5是堿焦比為4時不同石油焦粒度下制備活性炭的甲烷吸附穿透曲線圖。從圖5可以看出，石油焦粒度為6080目時，其甲烷的吸附量最高；當(dāng)石油焦粒度小于80目時，粒度的改變對制得活性炭的甲烷吸附量影響不大。

圖5 石油焦粒度不同對甲烷吸附性能的影響

表2是堿焦比為4時不同粒度石油焦制備活性炭的比表面積、孔容積及孔徑大小。從表2可以看出，活性炭的比表面積在2230 m2／g以上，微孔容積占總孔容積的比例在80%左右；隨著原料粒度的減小，活性炭的比表面積、孔容及孔徑有上升趨勢。當(dāng)原料粒度過細時，原料與活化劑KOH的混合更均勻，活化時活化程度加深，活性炭的比表面積變大、孔結(jié)構(gòu)更加發(fā)達，孔徑變大。孔徑變大對甲烷的吸附力變?nèi)酰辜淄榈奈搅拷档停f明只有合適的孔徑才利于甲烷的吸附，這與Liu等［12］的研究一致。

表2 不同粒度石油焦制備活性炭的比表面積、孔容積及孔徑

2.3.2 活化載氣流速的影響

圖6是堿焦比為4時不同活化載氣流速下制備活性炭的比表面積及甲烷的吸附量圖。從圖6可以看出，載氣流速為100 m L／min時，甲烷的穿透吸附量為13.81 m L／g。當(dāng)流速增大時，甲烷的吸附量有所下降，同時，制得活性炭的比表面積有下降的趨勢，這是因為活化時氣體流速增大，活化載氣可以降低反應(yīng)過程生成氣體的濃度，使活化程度加深，造成活性炭比表面積的降低。當(dāng)氣體流速為300 m L／min時，活性炭的比表面積進一步下降，但甲烷的吸附量卻稍有增加，說明活性炭的比表面積不是影響甲烷吸附量的唯一因素。

圖6 活化氣流速不同對甲烷吸附性能及活性炭比表面積的影響

2.4 CMC添加量不同對活性炭吸附性能的影響

實驗室自制的石油焦基活性炭為粉末狀固體，無實際工業(yè)應(yīng)用價值，CMC以其價格便宜、后處理溫度較低而成為一種常用的黏結(jié)劑。圖7是堿焦比為4時成型前后活性炭的甲烷吸附穿透曲線，成型后活性炭的抗壓碎強度如表3所示。從圖7和表3可以看出，添加質(zhì)量分數(shù)為10%CMC成型的活性炭其甲烷穿透吸附量略低于粉末活性炭，但其飽和吸附量無明顯差異。當(dāng)CMC添加量較低時，活性炭的抗壓碎強度無法保證；當(dāng)CMC的含量進一步增加時，黏結(jié)劑會堵塞活性炭的微孔，造成吸附量的下降，所以10% （質(zhì)量分數(shù)）的添加量是較為理想的比例。

圖7 成型前后活性炭的甲烷穿透曲線

表3 添加不同CMC成型后活性炭的抗壓碎強度

2.5 石油焦基活性炭的再生性能

再生性能是評價吸附劑好壞的一個重要指標(biāo)，良好的再生性能可以有效降低工業(yè)生產(chǎn)成本。活性炭的再生方法有很多，本文選擇熱處理的方法，將吸附飽和的活性炭在馬弗爐中200℃處理3 h后進行再生性能的考察。

圖8是再生活性炭對甲烷的穿透吸附量和飽和吸附量的柱狀圖。從圖8可知，成型后的活性炭經(jīng)過5次再生后，其穿透吸附量及飽和吸附量都有所降低，這與吸附過程的微孔填充及中孔毛細凝聚現(xiàn)象有關(guān)，但未出現(xiàn)吸附量明顯降低的現(xiàn)象。說明成型活性炭的再生性較好。

圖8 再生次數(shù)對條狀活性炭吸附量的影響

3 結(jié) 論

（1）石油焦預(yù)處理正交實驗結(jié)果表明，在考慮的4種因素中，對活性炭的比表面積影響大小的順序為：改性時間＞液固比＞改性溫度＞氧化劑種類，高比表面積活性炭的最佳制備條件是：H2O2為氧化劑，液固比為30 m L／g，改性時間為6 h，改性溫度為60℃。

（2）在活性炭的制備過程中，采用雙氧水預(yù)處理石油焦可以改變其表面性質(zhì)，利于活化的進行，使甲烷的吸附性能提高36%左右；活化過程中氣體流速的變化會降低活性炭的比表面積，但不會對甲烷的吸附量造成明顯影響，說明比表面積不是影響甲烷吸附量的唯一因素；原料粒度過細使活性炭孔道結(jié)構(gòu)更發(fā)達，對甲烷的吸附力變?nèi)酰焕诩淄榈奈健?/p>

（3）添加10% （質(zhì)量分數(shù)）羧甲基纖維素鈉成型后的石油焦基活性炭既保證了良好的力學(xué)強度，又保證了甲烷的吸附量；且多次使用后，吸附量雖稍有下降，但穩(wěn)定性較好。

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