工况条件对活性炭吸附-脱附CS2的影响

建晓朋，侯兴隆，许伟，刘石彩*

(1. 中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京 100091；2. 中国林业科学研究院林产化学工业研究所，生物质化学利用国家工程实验室，国家林业和草原局林产化学工程重点实验室，南京 210042)

CS2是一种恶臭气体，容易散发到大气中发生光化学反应生成SO2，形成酸雨，污染环境。长时间接触低浓度CS2会损害人体呼吸系统、消化系统、神经系统等，影响人体身心健康[1]。为了控制CS2排放量，我国要求CS2在当前工业尾气排放和车间中最高容许浓度均低于10 mg/m3[2]。目前治理CS2方法有冷凝法、吸附法、催化水解法、化学吸收转换法等[3]，其中吸附法应用广泛，因为它工艺简单、操作简便、能耗低和吸附率高，也能将吸附的物质回收利用，节约成本。活性炭是一种常见的绿色吸附剂，不仅价格廉价、具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积、化学性质稳定，而且吸附速度快、再生能力强[4]。

金国杰等[5]研究发现Bangham方程更符合活性炭吸附CS2和水蒸气混合物的动力学行为，并且活性炭对CS2吸附量受吸附温度影响，吸附温度升高，吸附量降低，这与Jia等[6]研究结果一致，同时Jia等也发现当脱附温度升高时，脱附率也提高。王倩[7]研究发现当吸附温度为25 ℃时，活性炭对CS2的吸附率最高，达到82.6%。范明霞等[8]通过动态吸附试验研究进口气体流速对活性吸附CS2影响，发现控制合适的流速很重要。郝晨光[9]研究发现当处理的CS2气体流速为5 000 m3/h、CS2含量为2 500 mg/g时，纤维状活性炭对CS2的吸附率可达到90%以上。黄妍等[10]发现湿度对活性炭吸附CS2影响很大。

目前针对单一因素影响活性炭CS2吸附性能的研究较多，缺乏对活性炭脱附CS2性能的研究，缺乏系统研究工况条件(如温度、流速、浓度和湿度等)对活性炭吸附-脱附CS2的影响。笔者综合温度、流速、浓度和湿度等工况条件，系统研究活性炭吸附-脱附CS2的影响规律，以期对工业化利用活性炭去除CS2提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

活性炭为元力活性炭股份有限公司提供的一种商用木质活性炭，柱状颗粒，直径约为4 mm，比表面积1 085 m2/g，表观密度0.43 g/cm3，平均孔径2.24 nm，总孔容0.5 cm3/g，微孔孔容0.31 cm3/g。氮气(分析纯)，南京麦克斯南分特种气体有限公司；CS2(分析纯)，南京化学试剂股份有限公司。

试验主要仪器有：ET-93型号CS2浓度测定仪，科尔诺电子科技有限公司；DgD 3S型号质量流量控制器，南京卡佛科学仪器有限公司。

1.2 活性炭动态吸附和脱附CS2气体的试验装置

测定活性炭在不同吸附温度、流速、CS2质量浓度和湿度条件下对CS2吸附量和残存量的试验装置见图1。测量时，将一定质量的活性炭装填至吸附管的同一刻度，记录吸附管质量随时间的变化，通过吸附管质量的增加，计算活性炭对CS2的吸附量；通过吸附管质量的减少，计算活性炭对CS2的残存量。

1.氮气瓶；2.氮气质量流量控制器；3.CS2质量流量控制器；4.水蒸气质量流量控制器；5.CS2发生装置；6.水蒸气发生装置；7.气体混合瓶；8.吸附管；9.缓冲瓶；10.吸收瓶；11.冷却水。

吸附温度调控：打开氮气瓶开关，通过控制氮气流量控制器，使氮气流量为350 mL/min,打开CS2发生器开关，通过控制CS2流量控制器，使CS2流量为150 mL/min，将缓冲瓶和盛有活性炭的吸附管放在恒温水浴锅中，通过调节恒温水浴锅温度来控制吸附温度。

流速调控：打开氮气瓶开关，关闭水蒸气流量控制器，通过控制CS2流量控制器，使CS2流量为150 mL/min，调节CS2发生器温度，通过用氮气吹扫将CS2和氮气进行混合保证CS2质量浓度不变，吸附温度保持在25 ℃。

CS2质量浓度调控：打开氮气瓶开关，通过控制氮气流量控制器，使氮气流量为350 mL/min, 打开CS2发生器开关，通过控制CS2流量控制器，使CS2流量为150 mL/min，通过调节CS2发生器温度控制CS2质量浓度，用二硫化碳检测仪测出CS2质量浓度，吸附温度保持在25 ℃。

湿度调控：打开氮气瓶开关，通过控制CS2流量控制器，使CS2流量为150 mL/min，控制水蒸气发生瓶温度控制水蒸气流量，使得氮气和水蒸气流量为350 mL/min，混合气体以500 mL/min的流量通过活性炭吸附管。用二硫化碳检测仪测出混合气体的湿度，吸附温度保持在25 ℃。

1.3 活性炭吸附/脱附CS2气体

1.3.1 CS2的吸附操作

根据国标GB/T 12496.5—1999《木质活性炭试验方法-四氯化碳吸附率的测定》，仿照四氯化碳吸附率测定的试验装置，将CS2发生瓶放在容器里，通过N2将CS2发生瓶的CS2气体吹到混合气体瓶中，然后再通过装有活性炭的吸附管，并每隔15 min称量吸附管及炭样质量，记录吸附管及炭样的质量随时间的变化情况，根据重量法计算活性炭对CS2的吸附量。

活性炭样品对CS2吸附量的计算方法如下：

(1)

式中：qt为t时刻活性炭样品对CS2的吸附量，g/g；m0为吸附前吸附管、塞子和炭样的质量之和，g；mt为在t时刻吸附管、塞子、炭样和CS2的质量之和，g；mc为活性炭质量，g。

1.3.2 CS2的脱附操作

待炭样达到吸附饱和后，关闭CS2发生器装置，连接脱附装置，通过N2将已吸附饱和炭样中的CS2吹出，氮气载气流量为500 mL/min，脱附温度为25 ℃，每隔15 min称量吸附管及炭样质量，记录吸附管及炭样的质量随时间的变化情况。待脱附90 min后，记录脱附后的吸附管总质量，以残存量表征活性炭对CS2的脱附能力。

活性炭样品对CS2的残存量的计算方法如下：

(2)

式中：At为t时刻活性炭样品对CS2的残存量，g/g；m1为饱和吸附后吸附管、塞子、炭样和CS2的质量之和，g；mt为t时刻吸附管、塞子、炭样和CS2的质量之和，g；m0为吸附前吸附管、塞子、炭样的质量之和，g。

2 结果与分析

2.1 吸附/脱附温度对CS2吸附、脱附性能的影响

在氮气载气流量为350 mL/min，CS2流量为150 mL/min，CS2质量浓度为1 317 mg/m3条件下，分别测定活性炭在吸附温度为15，25，35和45 ℃下对CS2吸附-脱附的影响，结果见图2。

图2 不同温度对活性炭吸附-脱附CS2的曲线

由图2a可知，吸附温度为15 ℃时，活性炭对CS2饱和吸附量最大，为0.609 9 g/g；吸附温度为25，35和45 ℃时，活性炭对CS2饱和吸附量分别为0.559 1，0.477 2和0.424 6 g/g。所以活性炭对CS2饱和吸附量随吸附温度的升高而降低。由图2a还可知，当吸附温度为25 ℃时，活性炭对CS2吸附速率最快，达到吸附平衡时间较短。当吸附温度为15 ℃时，活性炭达到吸附平衡时间较长，吸附平衡时间为90 min；在吸附温度为35 ℃时，活性炭对CS2饱和吸附量平衡时间为75 min；在吸附温度为25和45 ℃时，活性炭对CS2饱和吸附量平衡时间为60 min。为了节约成本和提高工作效率，最佳吸附温度为25 ℃。

由图2b可知，脱附温度为45 ℃时，活性炭对CS2残存量最低，为0.287 8 g/g；脱附温度为15，25和35 ℃时，活性炭对CS2残存量分别为0.495 2，0.400 3 和0.378 3 g/g。故活性炭对CS2残存量随着脱附温度的升高而降低。这是因为活性炭对CS2脱附为吸热反应，温度升高，反应逆向进行，其表面作用力减弱，使得CS2分子从活性炭表面脱附下来。反之升高温度，有利于脱附进行。

2.2 气体流速对CS2吸附、脱附性能的影响

在CS2质量浓度为1 317 mg/m3、温度25 ℃条件下，分别测定活性炭在500，625和795 mL/min流速下对CS2吸附-脱附影响，结果见图3。

图3 不同流速对活性炭吸附-脱附CS2的曲线

由图3a可知，流速为625 mL/min时，活性炭对CS2饱和吸附量最大，为0.629 4 g/g；流速为500和795 mL/min时，活性炭对CS2饱和吸附量分别为0.559 1和0.518 7 g/g；流速小于625 mL/min，活性炭对CS2饱和吸附量随着流速的增加而增加；流速大于625 mL/min，活性炭对CS2吸附量随着流速的增加而降低。由图3a还可知，流速为625 mL/min时，活性炭对CS2饱和吸附量平衡时间缩短，为45 min；流速为500和795 mL/min时，活性炭对CS2饱和吸附量平衡时间为75 min。由此可见，适当增加流速不仅能提高活性炭对CS2饱和吸附量，也能缩短吸附平衡时间，提高吸附效率。流速过大，导致易挥发的CS2没有被活性炭充分吸附，不利于吸附进行[11]。

由图3b可知，流速为625 mL/min时，活性炭对CS2残存量最低，为0.384 2 g/g；流速为500和795 mL/min时，活性炭对CS2残存量分别为0.400 3和0.467 4 g/g。由此可知，流速小于625 mL/min，活性炭对CS2残存量随着流速的增加而降低；当流速大于625 mL/min，活性炭对CS2残存量随着流速的增加而增加。因此，流速过大也不利于脱附进行。

2.3 CS2质量浓度对CS2吸附、脱附性能的影响

在氮气载气流量为350 mL/min、CS2流量为150 mL/min、温度25 ℃条件下，分别测定活性炭在CS2质量浓度为1 317，1 643和2 092 mg/m3时对CS2吸附-脱附影响，结果见图4。

由图4a可知，CS2质量浓度为2 092 mg/m3时，活性炭对CS2饱和吸附量最大，饱和吸附量为0.669 9 g/g；质量浓度为1 317和1 643 mg/m3时，活性炭对CS2饱和吸附量分别为0.559 1和0.626 0 g/g。所以活性炭对CS2饱和吸附量随着CS2质量浓度增加而增加，这说明当吸附流速一定时，活性炭对CS2的吸附量与其浓度成正比，这可能是因为高浓度的CS2使得吸附外部扩散力增大，使得CS2在活性炭中吸附量增大[12]。由图4a还可知，当CS2质量浓度为2 092 mg/m3时，活性炭对CS2吸附速率最快，达到吸附平衡时间为30 min；当质量浓度为1 317和1 643 mg/m3时，活性炭对CS2饱和吸附量平衡时间为90和60 min。由此可见，适当增加CS2质量浓度不仅能提高活性炭对CS2的饱和吸附量，也能缩短达到吸附平衡时间，提高吸附效率。

图4 不同质量浓度对活性炭吸附-脱附CS2的曲线

由图4b可知，CS2质量浓度为2 092 mg/m3时，活性炭对CS2残存量最低，为0.394 2 g/g；CS2质量浓度为1 317和1 643 mg/m3时，残存量分别为0.400 3 和 0.421 3 g/g。由此可见，当CS2质量浓度小于1 643 mg/m3时，活性炭对CS2残存量随着CS2质量浓度的增加而增加；大于1 643 mg/m3，活性炭对CS2残存量随着CS2质量浓度的增加而降低。可见，较大的CS2浓度有利于活性炭对CS2脱附。

2.4 气流湿度对对CS2吸附、脱附性能的影响

CS2流量为150 mL/min，CS2质量浓度为1 317 mg/m3，温度为25 ℃条件下，分别测定活性炭在湿度分别为干燥状态、25%和50%情况下对CS2吸附-脱附影响，结果见图5。

由图5a可知，在干燥状态时，活性炭对CS2饱和吸附量最大，为0.559 1 g/g；在湿度为25%和50%时，活性炭对CS2饱和吸附量分别为0.548 2和0.519 4 g/g。由此可得，活性炭对CS2饱和吸附量随着湿度增加而降低。湿度增加，不利于活性炭对CS2吸附，这与王稚真等[13]研究结果一致。这可能是因为水蒸气的存在影响了活性炭对CS2的吸附，由于水蒸气比CS2分子小，更容易扩散，故活性炭先选择吸附水蒸气。当活性炭吸附水蒸气后，活性炭的有效吸附体积减小。同时由于二硫化碳是非极性分子，吸附水蒸气的活性炭表面特性被改变，所以降低了活性炭对CS2的吸附量[14-15]。由图5a还可知，在干燥状态时，活性炭对CS2吸附速率最快。低湿状态与干燥状态相比，活性炭对CS2的吸附量影响不是很大。

由图5b可知，在干燥状态时，活性炭对CS2残存量最低，为0.400 3 g/g；当湿度为25%和50%时，活性炭对CS2残存量分别为0.422 1和0.436 6 g/g。由此可见，活性炭对CS2残存量随着湿度的增加而增加。因此，湿度增加不利于脱附进行。

2.5 最佳工艺条件

综合上述研究结论可以发现：吸附温度、气体流速、CS2浓度和湿度等工况条件对活性炭CS2吸附量和残存量均有较大影响，其中CS2质量浓度对吸附的影响最大，而脱附残存量主要与吸附温度和CS2质量浓度有关。为实现活性炭高效吸附和脱附，最佳工艺条件为：干燥状态下，吸附温度25 ℃，流速小于625 mL/min，CS2质量浓度为1 643 mg/m3。

3 结 论

1)活性炭对CS2吸附量和残存量随着温度升高而降低。升高温度，不利于吸附进行，有利于脱附进行。当流速小于625 mL/min，活性炭对CS2吸附量随着流速的增加而增加，残存量随着流速的增加而降低；当流速大于625 mL/min，活性炭对CS2吸附量随着流速的增加而降低，残存量随着流速的增加而增加。

2)活性炭对CS2吸附量随着CS2质量浓度增加而增加。但当CS2质量浓度小于1 643 mg/m3时，残存量随着CS2质量浓度的增加而增加；大于1 643 mg/m3，残存量随着CS2质量浓度的增加而降低。活性炭对CS2吸附量随着湿度的增加而降低，残存量随着湿度增加而增加。

3)在干燥状态下，活性炭对CS2吸附量最大。吸附温度、气体流速、CS2质量浓度和湿度等工况条件对活性炭CS2吸附量和残存量均有较大影响，其中CS2质量浓度对吸附的影响最大，而脱附残存量主要与吸附温度和CS2质量浓度有关。

由于在实际工业应用中，不同的操作条件很大程度影响活性炭对气体的吸附及脱附性能，为了提高活性炭的高效吸附和脱附性能，活性炭对CS2吸附最佳工艺条件为：干燥状态下，吸附温度25 ℃，流速小于625 mL/min，CS2质量浓度1 643 mg/m3。这为实际工业应用提高活性炭吸附、脱附CS2效率提供了理论基础。