活性炭吸附法脫除煙氣中的二氧化硫

王春明

（上海星濟(jì)工業(yè)廢物處理有限公司 上海 201419）

0 引言

活性炭脫硫方法也存在著價格較高；強(qiáng)度低；吸附、再生使用中損耗大；不利于脫硝；脫硫容量低、脫硫速率慢、再生頻繁易造成二次污染等缺點。這些缺點制約了活性炭脫硫工藝在工業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用。目前我國關(guān)于活性炭脫硫工藝的研究和開發(fā)大多處于實驗室階段，所以應(yīng)加強(qiáng)對這方面的投入，開發(fā)出適合我國國情的活性炭脫硫工藝。

1 活性炭吸附法的原理

活性炭表面的某些含氧絡(luò)合物基團(tuán)是二氧化硫吸附及氧化的活性中心，而其發(fā)達(dá)的表面積和豐富的孔結(jié)構(gòu)有利于分子的擴(kuò)散和傳遞。因此，活性炭對二氧化硫的吸附是由物理吸附和化學(xué)吸附兩類過程組成的。其反應(yīng)式如下：

其中（1）、（2）、（3）式為物理吸附過程，（4）、（5）、（6）式為化學(xué)吸附過程。總反應(yīng)式可表示為：SO2+H2O+0.5O2→H2SO4

所以，活性炭對SO2的吸附是在活性炭表面進(jìn)行的吸附氧化反應(yīng)過程。

2 實驗裝置

設(shè)計并搭建如圖1所示的一套動態(tài)固定床吸附裝置，用于各種動態(tài)吸附實驗。用液態(tài)SO2、氮氣、空氣和水蒸氣模擬煙氣。通過連接管將液態(tài)SO2引入鋼瓶中，然后充入高壓氮氣至瓶內(nèi)壓力為10MPa。配好的氣體靜置2～3天后使用。用電爐加熱燒杯中的水達(dá)到沸騰，再將燒瓶放入沸水中進(jìn)行水浴恒溫加熱。進(jìn)入床層的水蒸氣流量的改變通過向燒瓶中通入不同流量的空氣來實現(xiàn)。通過不同量程的流量計分別調(diào)節(jié)進(jìn)入緩沖瓶的空氣量、夾帶水蒸氣的空氣量和鋼瓶內(nèi)混合氣體的流量，同時通過監(jiān)測SO2監(jiān)測儀讀數(shù)來調(diào)節(jié)緩沖瓶內(nèi)的模擬煙氣的濃度，待濃度達(dá)到實驗要求且穩(wěn)定后開始實驗。活性炭床層的溫度通過超級恒溫器向活性炭外層套管通入恒溫水來保持恒定。床層的溫度以套管出水口溫度計讀數(shù)計。

圖1 實驗裝置圖

圖中紅色的虛線是用來測量煙氣進(jìn)口濃度的管路。為了減少管路對SO2的吸附，應(yīng)盡量縮短管線長度，管路各接口處用聚四氟乙烯材料進(jìn)行密封。每次實驗都進(jìn)行氣密性檢查，以保證測量值的準(zhǔn)確性。

3 整個實驗裝置主要儀器、設(shè)備及試劑

表1 主要實驗試劑

表2 主要實驗儀器、設(shè)備

其中SO2濃度檢測儀的原理是：

圖2 SO2監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)原理圖

SO2分子吸收紫外光并在一定波長下變成激發(fā)態(tài)，然后在另一個不同的波長下衰減到低能級并釋放出紫外光（）。

首先，煙氣通過煙氣防水艙被吸入到SO2濃度監(jiān)測儀。然后煙氣先通過壓力傳感器再流經(jīng)毛細(xì)管和流量傳感器。接著煙氣流入熒光室，在熒光室里紫外光激活SO2分子。透光鏡將不斷跳動的紫外光集合在熒光室里的一組鏡子上。這一組鏡子是由4個能夠有選擇性反射一定波長的光的鏡子組成。一定波長是指能激活SO2分子的光的波長。

因為激發(fā)態(tài)的SO2分子衰減到低能級時釋放的紫外光是與SO2的濃度成正比的。而帶通過濾器只允許激發(fā)態(tài)的SO2分子發(fā)出的光的波長通過光電倍增管。光電倍增管用于檢測衰減的SO2分子發(fā)出的紫外光。光電檢測器位于熒光室的后部，用于持續(xù)檢測不斷變化的紫外光源。光電檢測器是和一個用于補(bǔ)償紫外光中的波動的電路連在一起的。煙氣通過泵流入并通過分析儀的排放防水艙排出。SO2濃度示數(shù)可通過前面的顯示屏讀出。

4 吸附實驗操作步驟

（1）配氣。用液態(tài)SO2、氮氣、空氣和水蒸氣模擬煙氣。通過連接管將液態(tài)SO2引入鋼瓶中，然后充入高壓氮氣至瓶內(nèi)壓力為10MPa。配好的氣體靜置2～3天后使用。

（2）系統(tǒng)檢漏。實驗前先向鋼瓶內(nèi)充入8個大氣壓的空氣，然后打開鋼瓶的閥門，通氣一定時間后，用肥皂液涂在各連接口處，無氣泡產(chǎn)生時說明管路不漏氣。每次實驗應(yīng)保證系統(tǒng)不漏氣。

（3）調(diào)整模擬煙氣進(jìn)口濃度。在鋼瓶中配好煙氣并穩(wěn)定后待用。實驗時先將鋼瓶閥門打開，調(diào)整鋼瓶流量，空氣流量和濕空氣流量，使煙氣進(jìn)口與SO2濃度監(jiān)測儀相連，使進(jìn)口濃度維持在實驗所需的數(shù)值并保持穩(wěn)定。

（4）進(jìn)口煙氣濃度穩(wěn)定后，使SO2濃度監(jiān)測儀與煙氣出口相連，使儀器讀數(shù)恢復(fù)到空氣值，然后開始進(jìn)行吸附實驗。將煙氣通過裝有活性炭的吸附管同時將吸附后的煙氣出口與SO2濃度監(jiān)測儀相連，每隔5分鐘記錄讀數(shù)。

（5）待監(jiān)測儀讀數(shù)達(dá)到穿透點時停止實驗。本實驗研究中所定義的穿透點為當(dāng)SO2出口濃度達(dá)國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)時的數(shù)值，即在20℃時為960mg/m3。

吸附操作條件對吸附的效果也有比較大的影響，主要包括有溫度、氣體流速、氣體濃度及床層厚度等。

5 改性方法

加熱改性：對活性炭在N2氣氛中進(jìn)行600℃高溫處理2h。

KOH改性：mangan等研究后發(fā)現(xiàn)，將含堿性官能團(tuán)的物質(zhì)摻入是增加吸附的有效方法。在模擬煙氣中，吸附量增加的主要因素是中堿性基團(tuán)的質(zhì)量百分比。因此，KOH處理過的在模擬煙氣中的脫硫活性得以明顯提高。制備浸漬活性炭的步驟如下：

（1）浸漬液的配制：分別稱取KOH固體0.28g溶于適量的去離子水中，然后轉(zhuǎn)入容量瓶中定容至50mL，配制成濃度為0.1mol/L的KOH溶液。備用。

（2）浸漬：分別取10g活性炭，置于100mL蒸發(fā)皿中。再將上述配制好的浸漬液取10mL慢慢倒入其中，并同時攪拌，直到所有顆粒都均勻的接觸上浸漬液為止，然后將少量剩余的浸漬液全部倒入其中，攪拌均勻。活性炭在浸漬過程中要大量吸水，因此浸漬液量不能太少；但浸漬液量又不能相對于所要浸漬的活性炭量過多。一般，活性炭的浸漬比為80%，（即100g活性炭需要80g浸漬液）。通過實驗發(fā)現(xiàn)，本實驗所用活性炭吸水量較大，為了保證浸漬液用量一定，故選擇用10mL浸漬液浸漬10g活性炭。

活性炭經(jīng)浸漬2h后，用吹風(fēng)機(jī)將其吹干并同時攪拌，至活性炭顆粒間松散無粘連后停止。

（3）干燥：將吹干后的樣品放置于烘箱中，緩慢升溫至120℃后，恒溫干燥2小時。

（4）活化：將干燥好以后的浸漬性活性炭再轉(zhuǎn)入小坩鍋中，放入管式爐內(nèi)在N2氣氛中進(jìn)行600℃高溫處理2h。

6 再生方法

采用水洗法再生活性炭。每次均取10mL 80℃的恒溫水于恒溫水槽中洗滌吸附飽和的活性炭。共洗滌5次。在第一次和第二次洗滌時均攪拌30分鐘，其余3次攪拌洗滌5min即可，將各次洗滌后的水分別收集并編號1～5，將活性炭烘干，用于下一次吸附。活性炭再次吸附達(dá)飽和時，對其進(jìn)行第2次再生。用上次的2#水作為此次再生的第一次用水。其它遞推，第五次用水為新取的10ml80℃的恒溫水。洗滌方法同第一次。活性炭再生共進(jìn)行4次。將每一次的第一次洗滌液混合。用配制好的0.001mol/L的NaOH溶液滴定所得稀酸，測得其濃度為0.00033mol/L左右，pH值在3～4之間。

滴定過程操作：

1、配制0.0001mol/L標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液。

2、取標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液：用標(biāo)準(zhǔn)液潤洗堿式滴定管1－2次，注入標(biāo)準(zhǔn)液至0刻度線以上固定在滴定管夾上，迅速擠壓玻璃球?qū)⒓庾鞖馀菖懦Ｕ{(diào)整讀數(shù)在0刻度以下，記下準(zhǔn)確讀數(shù)。

3、取待測硫酸溶液用待測液往清潔的錐形瓶內(nèi)準(zhǔn)確放入10ml的洗滌所得的硫酸溶液。

4、在錐形瓶硫酸溶液中滴入2滴酚酞試劑

5、用標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液滴定：左手控制堿式滴定管尖嘴玻璃球，右手拿住錐形瓶頸，邊滴入NaOH邊不斷搖動，眼睛要始終注視錐形瓶中溶液顏色的變化。

6、當(dāng)錐形瓶中溶液無色突變紅色時，停止滴定，待30s不變色，準(zhǔn)確記下NaOH讀數(shù)，并準(zhǔn)確求得滴定用去的NaOH體積。

7、滴定操作重復(fù)2－3次

8、將幾次滴定用去NaOH體積的平均值代入關(guān)系式計算：

得到收集的稀硫酸的濃度。

7 結(jié)束語

煤炭燃燒是目前我國獲取能源最主要的途徑。富煤、少油和少天然氣的特殊能源結(jié)構(gòu)以及火電廠所具有的投資少、建設(shè)周期短等優(yōu)點，決定了我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在未來很長時間內(nèi)不會有大的改變。大量煤炭的燃燒，導(dǎo)致我國大氣出現(xiàn)嚴(yán)重煤煙型污染，其中燃煤煙氣排放的SO2對環(huán)境污染尤為嚴(yán)重，控制其排放勢在必行。

[1]何春紅，鄭嘉明.活性炭在煙氣脫硫中的應(yīng)用.化學(xué)工業(yè)與工程.2002，2