煤基含硫活性炭的制备和吸附功能研究

2021-09-30孙霆欢神华新疆能源有限责任公司活性炭分公司新疆乌鲁木齐830027

化工管理 2021年26期

孙霆欢(神华新疆能源有限责任公司活性炭分公司，新疆乌鲁木齐 830027)

0 引言

最近几年，随着CO2排放量的不断增加，全球温室效应问题不断加剧，加强对CO2的铺集和封存，是实现经济环保的有效手段，而煤基含硫活性炭具有孔径结构稳定丰富、表面易改性强、绿色环保等特征，能够实现对孔结构的调控，保证CO2吸附能力，因此，该活性炭被广泛地应用于CO2吸附领域中，并取得了良好的应用效果。但是，煤基含硫活性炭内含有大量的硫元素，影响了煤的正常使用，为了解决这一问题，如何科学地分析和研究煤基含硫活性炭的制备方法和吸附功能时相关人员必须思考和解决的问题。

1 实验部分

1.1 材料和装置

在本次实验中，将褐煤(HRC)和无烟煤(YA)作为实验材料[1]，煤样的工业及元素分析如表1所示。木质活性炭(AC-W)、氢氧化钾溶液和盐酸溶液三种成分均属于分析纯。

表1 煤样的工业及元素分析

固定床常压气化反应装置主要是由北京石化装置开发公司所设计和研发的，该装置设计示意图所示，从图中可以看出，反应装置主要由以下几个部分组成，分别是进气系统、加热炉和预热炉[2]。其中，加热炉属于管式炉，其温度范围通常被控制在300～1 000 ℃之间，进料系统位于反应装置的左侧，在反应装置的右侧主要集中核心反应区域。

1.2 煤基含硫活性炭制备

单一煤种所制备的活性炭存在制备流程复杂、制备成本高、产品过于单一等问题，而煤基含硫活性炭的出现和应用可以从根本上避免以上的问题的出现。通过利用该活性炭不仅可以扩大活性炭孔径分布范围，还能降低原料使用量，提高活性炭的吸附性能。在本次实验中，分别称取等质量的褐煤和无烟煤，并确保所称取的两种原料的粒径均在0.15～0.25 nm之间[3]。同时，将这两种原料放置于©玛瑙研钵中，对其进行研磨处理，从而得到混煤。然后，在碳炭质量比为1∶2和碳炭质量比为2∶1两种情况下，将混煤与KOH放置于石英管中，并向石英管中持续通入一段时间的氮气，确保石英管内的空气被排干净。此外，还要采用自然冷却的方式，将石英管温度下降至室温[4]，并向石英管中添加一定量的HCl溶液，将石英管内溶液pH值调整为中性状态，另外，将石英管放置于温度为60 ℃的恒温干燥箱中，并形成两种类型的煤基含硫活性炭，这两种活性炭分别被标记为AC-S1和AC-S2。此外，还要全面地分析和对比以上两种活性炭硫含量和比表面积对吸附性能的影响[5]。三种活性炭样品元素分析如表2所示。从表中的数据可以看出，AC-W含氮量高达2.06%，但是，硫含量相对较低。

表2 活性炭样品的元素分析

1.3 样品表征

为了更好地了解和把握煤基含硫活性炭样品表征，现利用扫描电子显微镜，对AC-S1、AC-S2和AC-W三种活性炭的表面形貌进行全面分析和研究，同时，还要借助红外光谱仪，对以上三种活性炭表面所含有的官能团进行分析，在此基础上，使用孔隙度分析仪，对三种活性炭的比表面积和硫含量进行分析和研究。另外，还要使用X射线衍射仪，完成对三种活性炭晶型结构和结晶度的分析。最后，还要借助BET方程，对三种活性炭样品的比表面积进行计算和分析，从而精确确定样品孔体积和氮气吸附量。此外，还要利用X射线光电子能谱仪，对三种活性炭样品内的元素含量以及元素价态进行测量，为后期优化煤基含硫活性炭的吸附性能创造良好的条件。

1.4 样品性能测试

为了精确测定AC-S1、AC-S2和AC-W三种活性炭的吸附性能，现使用物理吸附仪，在常压状态下，对三种不同活性炭对CO2和CH4的吸附值进行测定，同时，还要将吸附温度和吸附压力分别设置为298 K、0.1 MPa。此外在常压状态下，全面分析和对比AC-S1、AC-S2和AC-W三种活性炭的吸附性能，并找出影响其吸附性能因素，为后期全面探讨和研究CO2和CH4体系吸附分离因子大小提供重要的依据和参考。

2 结果与讨论

为了确保所制备的煤基含硫活性炭具有微孔发达、比表面积大、吸附性能强等特征，现采用化学活化法，对该活性炭微孔、比表面积和吸附性能进行调控[7]，以达到提高长焰煤制备活性炭吸附性能的目的。KOH借助自身较高的扩微能力，被广泛地应用于活性炭扩孔领域中。在不同碱炭质量比条件下，完成对活性炭的制备。

2.1 活性炭的表征

2.1.1 比表面积与孔结构分析

活性炭样品的比表面积参数如表3所示，从表中的数据可以看出，AC-S1、AC-S2、AC-W三种不同样品的比表面积依次为：682.9 m2/g、150.1 m2/g、730.5 m2/g、因此，以上三种样品的比表面积由高到低顺序依次为：AC-W、AC-S1、AC-S2；三种不同样品的微孔占比分别是89%、82%和45%，因此，以上三种样品的比表面积由高到低顺序依次为：AC-S1、AC-S2、AC-W。由于AC-S1样品与AC-无烟煤样品在比表面积上比较接近[6]，为了更好地区分和辨别两者之间孔结构的不同，现采用BJH法和HK法相结合的方式，对不同样品的孔径分布情况进行深入分析和研究，发现AC-S1微孔孔径通常在0.4～1.2 nm之间，其峰值集中在0.4 nm处，说明，在0.4 nm处分布较多的孔径，介孔主要集中在1.0～4.0 nm之间。AC-W微孔孔径通常在0.4～1.2 nm之间，其峰值集中在0.4 nm处，说明，在0.4 nm处分布较多的孔径，介孔主要集中在1.0～3.0 nm之间。在这两种样品比表面积比较接近的情况下，AC-W孔径分布范围比AC-S1更广。此外，当活性炭孔径在0.5～1.7 nm之间时，对CO2的吸附能力较高。

表3 活性炭样品的比表面积参数

2.1.2 结构分析

根据AC-S1,AC-S2和AC-W三种样品所对应的XRD谱见相关数据中，可以看出，AC-S1和AC-S2峰形比较宽，因此，这两种样品均属于无定型碳材料，且石墨化程度相对较低[8]，出现这一现象的原因是，在对两种样品进行高温热解反应的过程中，仅仅破坏了石墨化内部结构。此外，AC-S1和AC-S2所对应的红外吸收峰与AC-W所对应的红外吸收峰基本保持一致，但是，这种样品的吸收峰强度却存在比较大的差异。

2.2 吸附性能分析

为了科学地控制三种活性炭样品的CO2吸附值，现采用XPS数据分析的方式，对这些活性炭内部硫元素含量和氮元素含量进行检测，发现这些活性炭所对应的微孔孔体积与硫含量两种之间存在一定的关系[9]，从而增加俩AC-S1的吸附值，此外，对于AC-S2活性炭而言，硫含量较高，比表面积较低，导致该类型的活性炭具有较低的吸附能力。AC-S1和AC-S2及AC-W的Langmuir参数和相关系数如表4所示，通过分析表4中的数据，发现CO2/CH4值与活性炭分离效果两者之间存在正相关关系，当CO2/CH4值不断增大时，该类活性炭的分离效果会越来越明显。