氧化铜负载活性炭的制备及烟气脱硫性能测试

闫 璐

(大同煤业金鼎活性炭有限公司，山西 大同 037001)

1 背景

目前，商业上使用的脱硫工艺大多是湿法和半干法烟气脱硫，与已有工艺相比，干法烟气脱硫建设和运营成本低，用水量比较少，没有二次浪费，逐渐受到大家的关注，成为有吸引力的替代工艺[1]。为了节约能源，通过使用自制的活性炭吸附剂将来自电厂的烟气脱硫。活性炭是一种常用的吸附剂，活性炭粉末因具有高表面积，丰富微孔结构，丰富表面氧化基团种类，所以具有高吸附容量。活性炭法烟气脱硫具有工艺简单、能耗低、可再生重复利用等优点，但是新型干法烟气脱硫技术的发展过程中还存在一些问题，如，干法烟气脱硫装置中的吸附剂或催化剂仍然存在有缺点和限制等。目前使用的活性炭脱硫容量低、活性炭需求量大、再生频繁、损耗较大，导致脱硫成本较高，严重阻碍了该法的工业应用，所以，开发能够利用丰富的资源、降低成本、提高催化效率的新吸附剂具有很重要的现实意义[2-3]。国内外已有的研究发现，在活性炭上负载一些过渡金属及其氧化物，能够显著提高活性炭的脱硫容量[4-5]。负载方法可以采用浸渍法和共混法，如果采用纯金属及其氧化物共混方法制备活性炭，成本很高不利于大量生产，本文采用浸渍法制备了氧化铜负载活性炭吸附剂，并对复合材料进行了表征，同时，用于气体脱硫测试，另外，还探究了CuO负载量对催化剂活性的影响，为催化剂的实际应用提供了一定的实验和理论基础。

2 实验部分

2.1 吸附剂制备

将买到的活性炭、二氧化钛和乙酸以8∶1∶1的质量比在烧杯中混合，室温搅拌3 h，结束后将所得糊料取出，在120 ℃烘箱中干燥7 h。干燥后，将干燥的样品在管式炉中于氮气气氛保护下400 ℃煅烧0.5 h，得到活性炭复合材料。经测试得到该活性炭复合材料的比表面积为483.7 m2/g。随后，将所制备的活性炭复合材料浸渍到硝酸铜的水溶液中室温下放置10 h，在120 ℃的烘箱中干燥7 h，氮气气氛保护下400 ℃煅烧3 h。最后，将煅烧产物粉碎并筛分成250 μm～420 μm颗粒，用于表征和脱硫测试。通过CuO质量分数作为吸附剂的负载量。

2.2 材料表征

使用Cu靶SCINTXTRA衍射计(ARL)收集样品的XRD图，使用Kα射线，加速电压为40 kV，电流为30 mA。在77 K温度下使用Micromeritics TriStar II 3020测试活性炭材料和活性炭复合材料BET比表面积和孔径分布。

2.3 脱硫测试

吸附剂的脱硫性能测试在固定床反应器中进行，整个反应堆系统由石英构成，反应器尺寸Φ18 mm×300 mm，活性炭装填高度为2 mm，每次脱硫测试使用复合材料0.5 g，反应气体包含110×10-6的SO2，部分O2、水蒸气，其余为N2，空速为21 000 h-1。气体向下流过样品床，SO2、O2和N2气体由气瓶供应，通过缓冲瓶混合均匀后进入增湿器中增湿，然后加温后进入装载活性炭的反应器，净化后的气体先通过尾气吸收器，然后通过湿式气体流量计计量后排空，气体流量采用流量控制器控制。二氧化硫、二氧化碳和一氧化碳的浓度在反应器的进口和出口使用德国RBR公司的J2KN烟气分析仪测定。当出口含量为进口含量的10%时，视为穿透。

3 结果与讨论

3.1 BET分析

活性炭和活性炭复合材料的BET表面积和孔径分布在表1中列出。如表1所示，纯活性炭的表面积很高，比活性炭复合材料高得多，所以认为比表面积以及孔径分布的调控可以通过改变反应物质质量比来完成。CuO作为最终吸附剂的活性组分，其分散程度和负载量对吸附剂的孔结构和吸附活性有很大影响。图1和图2展示了样品负载CuO从0到40%比表面积和孔隙半径的变化。从图1、图2中可以看出，当CuO的负载量从0增加到2%时，吸附剂的比表面积略有增加。这主要是由于，Cu(NO3)2在活性炭复合材料较大的孔隙或支撑层间空隙中煅烧后分解成CuO的微小颗粒，增加了孔的数量；CuO负载量从2%进一步增加到20%时，载体上的CuO负载量增加，阻塞孔隙，从而最终降低比表面积。

表1 活性炭和活性炭复合材料的BET表面积和孔径分布

图1 样品负载CuO从0到40%比表面积的变化

3.2 脱硫性能分析

如图3显示，虽然活性炭复合吸附剂材料具有较大的比表面积，但它的SO2去除效率在200 ℃比其他的要差得多。据已经报道的文献显示，脱硫温度较高不利于材料对SO2的物理吸附过程，并且CuO负载量为20%的吸附剂表现出最好的SO2脱硫性能。对于CuO负载量为20%的吸附剂，其表面

图2 样品负载CuO从0到40%孔隙半径的变化

图3 不同CuO负载量的活性炭复合材料脱硫性能分析

上的CuO呈多层分布，结构适合吸附性质，这表明脱硫性能受到CuO分散情况和CuO负载量的影响。然而，当CuO负载量为30%时，脱硫吸附剂的性能急剧下降。主要原因可能是，CuO负载的活性炭吸附剂表面上可用脱硫的活性位点几乎完全被CuO覆盖，降低了吸附活性。

4 结论

本文采用浸渍法制备氧化铜负载活性炭吸附剂，通过BET吸附表征可以得出，制备出的活性炭复合材料与单纯的活性炭相比，其比表面积减小，平均孔径增大。脱硫试验测试结果表明，反应气体包含110×10-6SO2，部分O2、水蒸气，其余为N2，空速为21 000 h-1条件最佳。20%的CuO负载吸附剂活性较高，脱硫性能与吸附材料脱硫后的吸附测试结果一致。