木屑生物质活性炭脱除气体SO2的实验研究

袁晓丽 杨武 万新 谢心瀚 何博灵 王坦

(重庆科技学院冶金与材料学院，重庆 401331)

钢铁行业是国家的重要经济支柱产业，同时也是高排放、对环境造成严重负荷的源头。随着钢铁产量的持续增长，由此带来的环境问题日益显著，特别是排放SO2对大气的污染引起了广泛关注。烧结工序是钢铁行业的重要工序之一，同时是排放SO2的主要污染源。有研究指出，烧结工序是仅次于城市垃圾焚烧炉的第二大毒性污染物排放源［1］。烧结工序产生的SO2占钢铁企业排放总量的80%左右，我国是年产近7亿t的钢铁大国，1 t钢约需烧结矿1.58 t，1 t烧结矿产生 SO2800 ～3 500 mg/m3［2-4］。大量的 SO2排放导致了酸雨、化学烟雾的产生，给环境带来极大的危害，严重危害了人们的健康。因此，对烧结烟气中SO2的污染治理刻不容缓。

活性炭法净化烧结烟气具有高度环保、深度节水、集成净化、资源回收、适应面广、运行稳定等优点，是烧结工序实现脱硫的烟气集成深度净化的先进环保技术［5］。该方法在世界各地多个领域得到了日益广泛的应用。例如在新日铁、JFE、浦项钢铁和太钢等大型钢铁企业烧结烟气净化方面的应用，取得了良好效果。但是，目前应用于烟气处理的活性炭为优质无烟煤制取，成本高，性能参数要求严格，成为活性炭在烧结烟气应用的瓶颈，许多学者意图开发一种价廉而同时脱除多种污染物效率高的炭基材料。

目前，生物质脱除烟气污染物的研究在国际上引起了广泛的关注。生物质是可再生的绿色能源，是目前世界能源消耗总量仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源。地球上每年产生的生物质能总量为(1.4～1.8)×1011t标准煤，相当于目前世界总能耗的10倍，其主要来源:农林废弃物、工业废水和废渣、城市生活垃圾以及人畜粪便等。我国是一个农业大国，据统计，每年农林废弃物的产量约10亿 t［6］。废弃的农林生物质中含有大量的木质纤维素被认为是生产高附加值的低成本的原料来源，被证明是良好的生物质活性炭的“前体”［7］。因此，将废弃物的生物质作为改性生物质活性炭原料替代煤制活性炭，用于脱除烧结烟气中SO2，不仅可以降低活性炭的成本，减轻社会环境污染，同时节约了大量不可再生的化石能源(如煤)，而且有利于农作废弃物综合利用，实现“以废治废”，对于我国钢铁工业的可持续发展、新能源的利用、节能减排和环境保护都具有十分重要的意义。但是目前还未见生物质活性炭处理烧结SO2脱除的研究报道。因此，本研究将废弃的木屑作为制备生物质活性炭的原料，用于SO2气体的脱除，以探讨其制备生物质活性炭对烧结SO2气体脱除的可行性。

1 实验方法与设备

1.1 生物质炭的制备

把收集好的木屑进行烘干，然后将烘干后的生物质原料放入干馏炉里，升温至900℃干馏1 h，使其干馏炭化，冷却后取出，整个干馏过程都需要保持氮气通入，保证生物质原料不会被氧化。然后研磨成粉，一直磨细到其粒度小于0.074 mm，作为生物质活性炭的原料。

1.2 生物质炭的活化

生物质炭的活化采用化学浸渍活化，使用氨水和NaOH作为活化剂。取适量生物质炭样，放入1 000 mL大烧杯中，加入l mol/L氨水或NaOH溶液500 mL，用玻璃棒均匀搅拌，放置48 h后，用蒸馏水反复洗涤使其pH值基本稳定至8左右。洗涤后的样品放入旋转蒸发器中，在100℃下蒸发，最后放在烘箱中干燥，即制备得到采用NaOH活化得到的生物质活性炭。取样分析其成分，然后装袋以备吸附SO2气体用。

1.3 实验设备及药剂

实验设备:干馏炉、锥形瓶、布袋、容量瓶、烧杯和扫描电镜等。

实验药剂:玻璃棒氨水、NaOH分析纯、无水亚硫酸钠和浓硫酸等。

1.4 实验过程

用木屑制备生物质活性炭，对生物质炭分别采用NaOH和氨水进行浸渍活化。SO2气体采用无水亚硫酸钠和1∶1的硫酸溶液反应制取，取生物质活性炭1 g放入反应器中，通入SO2气体，对反应后生物质活性炭进行含SO2分析。

2 实验结果与分析

2.1 未活化木屑生物质炭对SO2的吸附情况

为了与后续碱活化的生物质活性炭进行对比，进行了未经过活化的木屑生物质炭对SO2吸附影响的实验。实验结果见图1。随着时间的增加，生物质炭吸附SO2的含量增加。当吸附时间从20 min到40 min时，吸附量变化不大，但当吸附时间达80 min左右时，SO2的吸附量约为60 min时的2倍。

图1 未活化的木屑生物质炭对SO2吸附的影响

2.2 氨水活化制备的木屑生物质活性炭对SO2的吸附情况

采用了氨水活化制备的木屑生物质活性炭进行了SO2吸附研究，实验结果见图2。

图2 氨水活化木屑生物质活性炭对SO2吸附的影响

从图2可知，随着吸附时间的增加，氨水活化制备生物质活性炭吸附SO2的含量几乎呈线性增加。当吸附时间从20 min到40 min左右，吸附量只增加了0.29 mg/g，但当吸附时间到达80 min左右时，SO2的吸附量约为60 min的2倍。

2.3 NaOH活化制备的木屑生物质活性炭对SO2的吸附情况

采用NaOH活化制备的木屑生物质活性炭进行了SO2吸附研究，实验结果见图3。

图3 NaOH活化木屑生物质活性炭对SO2吸附的影响

从图3可知，当吸附时间从20 min增加到60 min，NaOH活化水制备生物质活性炭吸附SO2的量几乎呈线性增加。当吸附时间从60 min到80 min左右时，吸附量只增加了0.2 mg/g，说明60 min后随着时间的增加，吸附趋于饱和。

2.4 三种木屑生物质炭吸附SO2的对比研究

未活化的生物质炭、氨水活化以及NaOH活化的木屑生物质活性炭对SO2的吸附结果见图4。从图4可知，未活化的木屑生物质炭吸附效果最差，氨水活化的木屑生物质活性炭对吸附量的增加有一定的影响，但是其效果与NaOH活化的木屑生物质活性炭效果相差甚远，吸附性能最好的是NaOH活化的木屑生物质活性炭。

图4 三种木屑生物质炭吸附SO2的情况对比

2.5 三种木屑生物质炭的形貌比较

选取吸附反应时间为80 min未活化的生物质炭、氨水活化以及NaOH活化的木屑生物质活性炭的微观形貌分别见图5，图6和图7。对比可知，未活化的木屑生物质炭颗粒较大，比表面积小，孔隙率低，所以吸附SO2的量较低;与未活化的木屑生物质炭比较，氨水活化的生物质活性炭颗粒较细，比表面积增大，孔隙率增加，吸附SO2的性能较未活化的生物质活性炭要好;而采用NaOH活化的木屑生物质活性炭在这3种类型中颗粒最小，比表面积最大，因此吸附SO2的性能最佳。

图5 未活化的木屑生物质炭微观形貌

图6 氨水活化的木屑生物质活性炭微观形貌

图7 NaOH活化的木屑生物质活性炭微观形貌

3 结论

(1)随着吸附时间的增加，未活化的生物质炭、氨水活化以及NaOH活化的木屑生物质活性炭对SO2的吸附量都有增加。

(2)活化后的木屑生物质活性炭吸附SO2的性能比未活化的木屑生物质炭好。

(3)NaOH活化的木屑生物质活性炭比氨水活化的木屑生物质活性炭吸附SO2的能力强，NaOH比氨水对木屑生物质炭的活化效果更好。

(4)采用木屑生物质活性炭来吸附烧结烟气中的SO2是可行的。

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［4］曾巧巧.“十二五”钢铁将全面实施烧结烟气脱硫钢铁烧结机烟气排放标准即将颁布实施［J］.天津冶金，2011(2):56-57.

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