活性炭孔結(jié)構(gòu)特征對(duì)二氧化碳吸脫附性能影響關(guān)系研究(摘要)

簡(jiǎn)相坤(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，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，江蘇 南京 210042)

通過對(duì)市場(chǎng)上常見的變壓吸附精制氫氣用煤質(zhì)活性炭和椰殼活性炭進(jìn)行表征，研究其孔徑結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)與CO2吸附及解吸性能的關(guān)系，然后研究了不同活化介質(zhì)對(duì)活化反應(yīng)的影響機(jī)理，摸索更適用于制備吸附CO2活性炭產(chǎn)品的工藝方法，用硝酸、過氧化氫和過硫酸銨等催化劑對(duì)活性炭產(chǎn)品進(jìn)行改性處理，并且通過多次循環(huán)吸附、解吸CO2來考察活性炭的吸脫附性能。主要內(nèi)容及研究成果歸納如下:

1.明確了活性炭微結(jié)構(gòu)與吸附及解吸CO2的關(guān)系 研究市售的煤質(zhì)及椰殼活性炭在常壓動(dòng)態(tài)吸附裝置中對(duì)CO2的吸附及解吸性能。通過CO2和N2的吸附等溫線表征活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)，用紅外光譜和Boehm滴定法表征活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明:微孔孔容的大小是決定活性炭對(duì)CO2吸附性能好壞的關(guān)鍵因素，其中0.5～1.0 nm的微孔對(duì)CO2吸附能力的影響較大，同時(shí)2.0～4.5 nm的中孔也對(duì)CO2吸附有積極的貢獻(xiàn)。活性炭表面官能團(tuán)中羧基和羥基對(duì)CO2的吸附有明顯的促進(jìn)作用，而羰基不利于解吸。循環(huán)吸附時(shí)，解吸率較大、孔徑分布較寬時(shí)，吸附容量減少較緩慢。

2.明確了活化介質(zhì)對(duì)活性炭微結(jié)構(gòu)及CO2吸附性能的影響 以煤質(zhì)炭化料為原料，分別以水蒸氣和CO2為活化介質(zhì)制備出微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的活性炭。利用N2吸附等溫線、碘吸附值、亞甲基藍(lán)吸附值、CO2吸附容量和解吸率、掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)其進(jìn)行表征。結(jié)果表明:H900，3和 C900，3制備活性炭的孔徑均以0.5～1.0 nm 的微孔為主，其中 C900，3制備活性炭0.5～1.0 nm范圍的微孔含量要比H900，3多10%以上。同時(shí)H900，3制備活性炭的中孔分布范圍為2.0～3.0 nm，C900，3的中孔分布范圍為2.0～2.5 nm。在同等實(shí)驗(yàn)條件下，水蒸氣活化制備活性炭的孔徑分布更廣，亞甲基藍(lán)吸附值、碘吸附值及CO2解吸率更高，但是CO2法制備出的活性炭對(duì)CO2的吸附容量更大，循環(huán)吸附時(shí)，CO2法制備活性炭的吸附容量損失更小。

3.制備了CO2吸附專用活性炭 以CO2為活化介質(zhì)，煤質(zhì)炭化料和椰殼為原料，制備CO2吸附用活性炭，并且通過硝酸、過氧化氫、過硫酸銨改性，研究其對(duì)CO2的吸附性能及循環(huán)吸脫附性能的影響。結(jié)果表明:活化溫度為900℃，活化時(shí)間為3 h，CO2流量為3 L/min時(shí)，煤質(zhì)活性炭和椰殼活性炭對(duì)CO2的吸附容量最佳，分別是52.23和68.25 mL/g。活性炭的微孔比較發(fā)達(dá)，其中椰殼活性炭的BET比表面積、總孔容、微孔孔容、0.5～1 nm的極微孔的孔容以及微孔率均比煤質(zhì)活性炭要大，孔徑主要集中在0.5～2 nm。煤質(zhì)活性炭的孔徑主要集中在0.5～2.5 nm。硝酸改性使活性炭對(duì)CO2的吸附容量減少，過氧化氫改性和過硫酸銨改性均使CO2的吸附容量增加，其中過氧化銨使活性炭改性后CO2的吸附容量增加更多一些，但改性后活性炭的循環(huán)吸附性能下降均遠(yuǎn)大于未改性前。

4.對(duì)活性炭吸附CO2進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)研究 考察不同溫度時(shí)煤質(zhì)活性炭和椰殼活性炭對(duì)CO2的擴(kuò)散系數(shù)和動(dòng)力學(xué)方程擬合情況，結(jié)果表明:CO2在活性炭?jī)?nèi)的擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的升高而增大，并且擴(kuò)散系數(shù)介于表面擴(kuò)散和Kundsen擴(kuò)散之間。活性炭對(duì)CO2的吸附容量擬合結(jié)果更符合Bangham動(dòng)力學(xué)方程，通過Bangham方程計(jì)算得到的CO2吸附容量與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的吸附容量比較接近。

煤質(zhì)活性炭;椰殼活性炭;CO2吸附容量;循環(huán)吸附;吸附動(dòng)力學(xué)