二氧化碳出生時性格詭異，命運多舛!常溫下是一種無色無味氣體，密度比空氣略大，溶于水(1體積H?O可溶解1體積CO?)，并生成碳酸。固態(tài)二氧化碳俗稱干冰，升華時可吸收大量熱，因而用作制冷劑，如人工降雨，也常在舞美中用于制造煙霧(干冰升華吸熱，液化空氣中的水蒸氣)。卻身負洪荒之力，使得地球上氣溫越來越高，由于人類活動（如化石燃料燃燒）影響，讓二氧化碳幾近崩潰、徹底絕望，成為妖化氣體，導致溫室效應(yīng)、全球氣候變暖、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，一種黑色多孔的固體炭質(zhì)，著一襲黑袍，一生不負天下，不負眾生，不負任何人，唯獨負了自己的一世韶光，負了它-二氧化碳。為何如此呢？下面就研究活性炭具有哪些特性，變壓吸附脫除二氧化碳的性能自1960年第一個變壓吸附專利(美國C.W.Skarstrom)批準之后,變壓吸附技術(shù)發(fā)展非常迅速?，F(xiàn)在已經(jīng)成為一種很常用的分離和提純工藝。作為近年來研究和開發(fā)的節(jié)能技術(shù),變壓吸附法雖然投資較高,但操作費用低,具有工藝簡單、能耗低、凈化度高、占地面積小等優(yōu)點。變壓吸附制取加氫過程所需純凈氫氣是工業(yè)上廣泛采用的方法,一般原料制取氫氣需脫除的雜質(zhì)常含CO2。變壓吸附脫除CO2常用的吸附劑為活性炭?；钚蕴科贩N繁多,因原料及制造工藝條件差異,吸附性能也有較大差異。優(yōu)化變壓吸附過程首先要選用吸附量大、解吸性能好、分離系數(shù)大、機械強度高等性能優(yōu)良的吸附劑。本文報道國內(nèi)外4種活性炭的表征結(jié)果以及它們的動態(tài)吸附性能,比較它們在相同條件下的吸附效果,以及不同的吸附條件對吸附過程的影響以評價國產(chǎn)的變壓吸附用活性炭吸附劑?；钚蕴慨a(chǎn)地形狀粒度堆密度(kg.m-3)磨耗%灰份%國外(AC1)不規(guī)則小塊形狀488.3

3.86.67安徽淮北(AC2)小柱狀605.82.67.05寧夏銀川(AC3)大柱狀564.21.87.70江蘇溧陽(AC4)不規(guī)則小顆粒狀452.63.09.96

1活性炭的表征1.1物理特性實驗選取一種國外活性炭和3種國內(nèi)活性炭,以下分別用AC1、AC2、AC3和AC4表示。測得它們一般的宏觀物理特性見表1(均按國標測得)。表1實驗用活性炭的基本數(shù)據(jù)1.2吸附等溫線實驗在美國MicromeriticsInstrument公司生產(chǎn)的ASAP2020(AcceleratedSurfaceAreaandPorosim-etrySyste)儀器上測定了4種活性炭在273K的吸附等溫線,見下圖。由圖可以看出這4種活性炭的吸附等溫線都為優(yōu)惠型吸附等溫線,吸附質(zhì)的分壓較低時,吸附劑的吸附量仍保持在較高水平,有利于吸附的完全分離。AC2對CO2的平衡吸附量高于AC1。1.3比表面、孔容及孔徑分布采用日本BELJAPAN.

INC的BlesorpII吸附儀用液氮法測定比表面積及孔容,結(jié)果見表2。采用ASAP2020在273K下CO2的吸附脫附法,用DFT(DensityFunctionalTheory)模型測得3種國產(chǎn)活性炭的孔徑分布和國外活性炭的孔徑分布情況相似,主要為微孔?？讖皆?.6nm左右分布較多,還有的分布在0.8nm和0.9nm之間。表2活性炭的比表面和孔容活性炭樣品比表面/m2.

g-1孔容/cm3.g-1AC11014.70.4472AC21059.80.4568AC3870.320.3826AC4875.040.39051.4.XRD分析采用德國Bruker公司的D8ADVANCE型X衍射儀對這4種活性炭進行了XRD分析(如下圖所示)。實驗條件為:CuKa射線源(衍射狹縫從左到右均為1mm),鎳單色器(0.6mm);掃描范圍:5°~80°,掃描速度:0.05°/0.2是;工作電壓和電流分別為40kV和30mA。各種活性炭的XRD圖通過各種活性炭的XRD圖看出4種活性炭的XRD圖基本一致,都為C成分。通過XRD圖可查得,AC4在26°處有個石墨的特征峰,即含有少量的石墨成分,而其它的都為炭。對于這些活性炭而言,沒有固定的晶型,也沒負載其它的物質(zhì)或元素,XRD測試它們的物相都極為相近。單塔變壓吸附簡圖1-惰性氣體鋼瓶;2-混合氣鋼瓶;3-吸附柱;4-氣相色譜;5-六通閥;6-轉(zhuǎn)子流量計;7-皂沫流量計;8-真空泵;9-壓力真空表;10、11-微量調(diào)節(jié)閥;12~16-控制閥;2動態(tài)吸附2.1實驗材料及裝置活性炭在使用前進行活化,將活性炭放在管式爐中加熱到120,恒溫保持4h,整個過程中用惰性氣體N2吹掃,待活化完成溫度降到室溫后,將活性炭取出,裝入袋中密封備用。單塔變壓吸附裝置示意圖見下圖。上圖裝置中吸附柱尺寸為?21mm×?400mm,吸附劑裝滿吸附柱,吸附溫度為常溫。自配混合氣中CO2濃度為13%~14%,其余為氮氣。氣相色譜為山東魯能儀器廠生產(chǎn)的SP-6800A型氣相色譜儀,采用PorapakQ的固定相載體裝填色譜柱。2.2

實驗方法先用氮氣充壓至吸附壓力后關(guān)閉氮氣打開混合氣則吸附開始,吸附尾氣經(jīng)六通閥和皂沫流量計排空,每隔2min~4min用六通閥將氣路切至氣相色譜對尾氣進行分析,記錄尾氣濃度隨時間的關(guān)系可得穿透曲線,即可計算出動態(tài)吸附容量。尾氣濃度達到原混合氣濃度的98%并恒定時,可認為吸附已達到平衡。即可結(jié)束吸附過程進行順向放壓并記錄出口濃度隨壓力的變化關(guān)系,順放至常壓時再抽真空使吸附劑再生進行下一次實驗。圖1不同吸附壓力的混合氣在AC1上的穿透曲線從每種活性炭來看,隨著吸附壓力增高,穿透點tb

后移,吸附容量Vb

明顯增大,床層的利用率顯著提高。這是因為隨著吸附壓力的提高,單位體積內(nèi)混合氣中CO2的分壓增加,傳質(zhì)推動力增大,加大了傳質(zhì)速率和吸附容量。所以一般的變壓吸附過程應(yīng)該始終保持較高的吸附壓力和較低的溫度,保持較高的吸附壓力不僅有利于提高吸附劑對吸附質(zhì)的吸附量,而且有利于提高傳質(zhì)推動力,縮短傳質(zhì)區(qū),提高吸附床層利用率。3.吸附壓力的影響圖2不同吸附壓力的混合氣在AC2上的穿透曲線圖3不同吸附壓力的混合氣在AC3上的穿透曲線圖4不同吸附壓力的混合氣在AC4上的穿透曲線通過對上圖的理解，吸附劑已經(jīng)經(jīng)過多次吸附,每個吸附周期中抽真空再生時間為5min,原料氣流速為200ml/min,測定各種吸附劑分別在0.2MPa、0.5MPa和0.8MPa的吸附壓力下的穿透曲線見圖1~圖4，從圖1~圖4可以看出,4種活性炭在同樣實驗條件下的穿透曲線形狀相差不大。AC1和AC2穿透曲線從穿透到飽和速度很快,說明它的傳質(zhì)性能很好,根據(jù)吸附理論其傳質(zhì)層長度較短,則床層的利用率較高。吸附性能和再生效果較好,有良好的變壓吸附特性,在經(jīng)過多次重復吸附后還能穩(wěn)定地保證吸附劑的再生效果。而AC4變壓吸附特性不夠好,在經(jīng)過多次吸附之后就不能保證吸附劑完全再生了,再生效果較差,再生后在下一次吸附開始時CO2濃度很高,說明此吸附劑的凈化度不夠高。4結(jié)論(1)從幾種活性炭物理特性看,經(jīng)過比較得出AC2(安徽淮北)比較接近AC1(國外)的性質(zhì),有足夠的強度和抗磨性。(2)通過孔容積、孔徑分布、表面積和其它表面性質(zhì)等的測定、比較,國產(chǎn)活性炭中AC2較大,比表面積為10598m2/g,其它性質(zhì)與國外的活性炭也較為接近。(3)動態(tài)吸附平衡實驗結(jié)