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1、二氧化碳出生时性格诡异，命运多舛! 常温下 是一种无色无味气体，密度比空气略大，溶 于水(1体积HO可溶解1体积CO)，并生成碳 酸。固态二氧化碳俗称干冰，升华时可吸收 大量热，因而用作制冷剂，如人工降雨，也 常在舞美中用于制造烟雾(干冰升华吸热，液 化空气中的水蒸气)。却身负洪荒之力，使得 地球上气温越来越高，由于人类活动（如化 石燃料燃烧）影响，让二氧化碳几近崩溃、 彻底绝望，成为妖化气体，导致温室效应、 全球气候变暖、冰川融化、海平面升高 “吸附你又如何，不吸附你又如何” 活性炭，吸附上仙，一种黑色多孔的 固体炭质，着一袭黑袍，一生不负天 下，不负众生，不负任何人，唯独负 了自己的一世韶
2、光，负了它-二氧化 碳。为何如此呢？ 下面就研究活性炭具有哪些特性，变 压吸附脱除二氧化碳的性能 自1960 年第一个变压吸附专利( 美国C.W.Skarstrom )批准之 后, 变压吸附技术发展非常迅速。现在已经成为一种很常 用的分离和提纯工艺。作为近年来研究和开发的节能技 术, 变压吸附法虽然投资较高, 但操作费用低, 具有工艺简 单、能耗低、净化度高、占地面积小等优点。变压吸附制 取加氢过程所需纯净氢气是工业上广泛采用的方法, 一般 原料制取氢气需脱除的杂质常含CO2。变压吸附脱除CO2 常用的吸附剂为活性炭。活性炭品种繁多, 因原料及制造 工艺条件差异,吸附性能也有较大差异。优化变压
3、吸附过 程首先要选用吸附量大、解吸性能好、分离系数大、机械 强度高等性能优良的吸附剂。本文报道国内外4种活性炭 的表征结果以及它们的动态吸附性能, 比较它们在相同条 件下的吸附效果, 以及不同的吸附条件对吸附过程的影响 以评价国产的变压吸附用活性炭吸附剂。 活性炭产地 形状粒度 堆密度(kg. m- 3) 磨耗% 灰份% 国外(AC1) 不规则小块形状 488. 3 3.8 6.67 安徽淮北(AC2) 小柱状 605. 8 2. 6 7.05 宁夏银川(AC3) 大柱状 564.2 1.8 7.70 江苏溧阳(AC4) 不规则小颗粒状 452.6 3.0 9.96 1活性炭的表征 1.1物理
4、特性 实验选取一种国外活性炭和3种国内 活性炭,以下分别用AC1、AC2、AC3 和AC4表示。测得它们一般的宏观物 理特性见表1(均按国标测得)。 表1 实验用活性炭的基本数据 1.2 吸附等温线 实验在美国M icromerit ics Instrument公司生产的ASAP2020(A ccelerated Surface A rea and Porosim-etry Syste)仪器上测定了4种活性炭在273K 的吸附等温线, 见下图。 由图可以看出这4种活性炭的吸附等温线都为优惠型吸附 等温线, 吸附质的分压较低时, 吸附剂的吸附量仍保持在较 高水平, 有利于吸附的完全分离。AC2对
5、CO2 的平衡吸附 量高于AC1。 1.3 比表面、孔容及孔径分布 采用日本BEL JAPAN. INC的B lesorp II吸附仪用液氮法测定比表面 积及孔容, 结果见表2。 采用ASAP2020在273K 下CO2 的吸附脱附法,用DFT ( Density Functional Theory)模型测得3 种国产活性炭的孔径分布和国外活性炭 的孔径分布情况相似, 主要为微孔。孔径在0.6nm 左右分布较多,还有 的分布在0.8nm 和0.9nm 之间。 表2 活性炭的比表面和孔容 活性炭样品 比表面/m2. g- 1 孔容/cm3 .g- 1 AC1 1014.7 0.4472 AC2
6、1059.8 0.4568 AC3 870.32 0.3826 AC4 875.04 0.3905 1.4.XRD分析 采用德国Bruker公司的D8 ADVANCE 型X衍射仪对这4种活性炭进 行了XRD 分析(如下图所示)。实验条件为: CuKa射线源(衍射狭缝从 左到右均为1mm) , 镍单色器( 0.6mm ); 扫描范围: 580 , 扫描速 度: 0.05/0.2是; 工作电压和电流分别为40kV和30mA。 各种活性炭的XRD图 通过各种活性炭的XRD图看出4种活 性炭的XRD图基本一致, 都为C 成 分。通过XRD图可查得, AC4在26 处有个石墨的特征峰, 即含有少量的 石
7、墨成分, 而其它的都为炭。对于这 些活性炭而言, 没有固定的晶型, 也没 负载其它的物质或元素, XRD 测试它 们的物相都极为相近。 单塔变压吸附简图 1- 惰性气体钢瓶; 2- 混合气钢瓶; 3- 吸附柱; 4 - 气相色谱; 5- 六通阀; 6- 转子流量计; 7- 皂沫流量计; 8- 真空泵;9- 压力真空表; 10、11- 微量调节阀; 12 16- 控制阀; 2动态吸附 2.1实验材料及装置 活性炭在使用前进行活化, 将活性炭放在管式炉中加热到120 , 恒温保持4h, 整个过程中用惰性气体N2 吹扫, 待活化完成温度降到 室温后, 将活性炭取出, 装入袋中密封备用。单塔变压吸附装
8、置示意 图见下图。 上图装置中吸附柱尺寸为21mm 400mm, 吸附剂装满吸附柱, 吸 附温度为常温。自配混合气中CO2浓度为13% 14% , 其余为氮气。 气相色谱为山东鲁能仪器厂生产的SP-6800A 型气相色谱仪, 采用 Porapak Q 的固定相载体装填色谱柱。 2.2 实验方法 先用氮气充压至吸附压力后关闭氮气打开混合气则 吸附开始, 吸附尾气经六通阀和皂沫流量计排空, 每 隔2m in 4m in用六通阀将气路切至气相色谱对尾 气进行分析, 记录尾气浓度随时间的关系可得穿透 曲线, 即可计算出动态吸附容量。尾气浓度达到原 混合气浓度的98% 并恒定时, 可认为吸附已达到平 衡
9、。即可结束吸附过程进行顺向放压并记录出口浓 度随压力的变化关系, 顺放至常压时再抽真空使吸 附剂再生进行下一次实验。 图1 不同吸附压力的混合气在AC1上的穿透曲线 从每种活性炭来看, 随着吸附压力增高, 穿透点tb 后移, 吸附容量Vb 明显增大, 床层的利用率显著提高。这是因为随着吸附压力的提高, 单位体积内混合气中CO2 的分压增加, 传质推动力增大, 加大了传质 速率和吸附容量。所以一般的变压吸附过程应该始终保持较高的吸 附压力和较低的温度, 保持较高的吸附压力不仅有利于提高吸附剂 对吸附质的吸附量, 而且有利于提高传质推动力, 缩短传质区,提高吸 附床层利用率。 3.吸附压力的影响
10、图2 不同吸附压力的混合气在AC2上的穿透曲线 图3 不同吸附压力的混合气在AC3上的穿透曲线 图4 不同吸附压力的混合气在AC4上的穿透曲线 通过对上图的理解，吸附剂已经经过多次吸附, 每个吸附 周期中抽真空再生时间为5m in, 原料气流速为200m l/m in, 测定各种吸附剂分别在0.2MPa、0.5MPa 和0.8MPa的吸附压 力下的穿透曲线见图1 图4，从图1 图4可以看出, 4种活 性炭在同样实验条件下的穿透曲线形状相差不大。AC1 和 AC2穿透曲线从穿透到饱和速度很快, 说明它的传质性能 很好, 根据吸附理论其传质层长度较短, 则床层的利用率较 高。吸附性能和再生效果较好
11、, 有良好的变压吸附特性, 在 经过多次重复吸附后还能稳定地保证吸附剂的再生效果。 而AC4变压吸附特性不够好,在经过多次吸附之后就不能保 证吸附剂完全再生了, 再生效果较差, 再生后在下一次吸附 开始时CO2浓度很高, 说明此吸附剂的净化度不够高。 4结论 ( 1)从几种活性炭物理特性看, 经过比较得出AC2(安 徽淮北)比较接近AC1(国外)的性质, 有足够的强度 和抗磨性。 ( 2)通过孔容积、孔径分布、表面积和其它表面性 质等的测定、比较, 国产活性炭中AC2较大, 比表面 积为10598m2 /g, 其它性质与国外的活性炭也 较为接近。 ( 3) 动态吸附平衡实验结果表明, 相同条件下AC2单 位体积吸附剂的吸附容量稍大于AC1。 ( 4) 综合考虑以上因素, AC2 活性炭是较为理想的 变压吸附用吸附剂, 多次吸附后较为稳定, 有较好的 净化度, 表现出良好的变压吸附特性, 能够替代现使 用国外活性炭的脱碳过程。 摘自： 活性炭变压吸附脱除二氧化碳的性能研究 陈飞, 刘晓勤 (南京工业大学化学化工学院, 江苏南京 210009)
