活性炭变压吸附脱除二氧化碳的性能研究

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H₂O可溶解1体积CO₂)，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

3.86.67安徽淮北(AC2)小柱状605.82.67.05宁夏银川(AC3)大柱状564.21.87.70江苏溧阳(AC4)不规则小颗粒状452.63.09.96

1活性炭的表征1.1物理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MicromeriticsInstrument公司生产的ASAP2020(AcceleratedSurfaceAreaandPorosim-etrySyste)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BELJAPAN.

INC的BlesorpII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(DensityFunctionalTheory)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-1AC11014.70.4472AC21059.80.4568AC3870.320.3826AC4875.040.39051.4.XRD分析采用德国Bruker公司的D8ADVANCE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:5°~80°,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。单塔变压吸附装置示意图见下图。上图装置中吸附柱尺寸为ø21mm×ø400mm,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PorapakQ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2min~4min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。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5min,原料气流速为200ml/min,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,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