活性炭改性及其脫硫脫硝性能

發布日期：2023-03-15 　瀏覽次數：872

1 活性炭脫硫脫硝機理

1. 1 活性炭脫硫機理

活性炭表面吸附 SO2 時,其孔隙結構中的微孔結構往往起著至關重要的作用。活性炭表面結構錯綜復雜,形態不一,尺寸大小各不相同,而 SO2 在活性炭上被吸附時首先就是接觸活性炭表面,因而活性炭豐富的孔結構為 SO2 提供了足夠的接觸空間,有利于活性炭吸附 SO2 。活性炭的脫硫機理為表面活性位點先對 SO2 進行物理吸附,吸附態 SO2 再與 H2O 和 O2 產生化學反應,最終生成 H2 SO4 。

反應步驟如式(1) ~ 式(5):

SO2 (g) + AC→SO2 (a) (1)

O2 (g) + AC→O2 (a) (2)

H2O(g) + AC→H2O(a) (3)

2SO2 (a) + O2 (a) + 2H2O(a)→2H2 SO4 (a) (4)

H2 SO4 (a) + nH2O(a)→H2 SO4·nH2O(a) (5)

式中:a 是吸附態;g 是氣相;AC 表示表面活性位。

1. 2 活性炭脫硝機理活性炭用于脫除 NOx 的機理為 NO 先吸附在活性炭表面,然后在 O2 的作用下氧化生成 NO2 。同時,活性炭作為催化劑亦可大大降低 NH3 與 NOx 反應的活化能,從而有效提高脫硝率。但活性炭以氧化反應還是還原反應脫除氮氧化物目前尚未形成統一定論。主流觀點之一是活性炭表面具有活性位,NO 和 O2 均被吸附于活性位,吸附態的 NO 被 O2 氧化生成吸附態的 NO2 ,即脫硝符合 Langmuir-Hinshelwood(L-H)反應機理,反應方程如式(6) ~ 式(8):

NO + C→C—NO (6)

O2 + 2C→2C—O (7)

C—NO + C—O→C—NO2 + C (8)

主流觀點之二認為 NO(或 O2 )被吸附于活性炭表面(如 Lewis 或 Bronsted 酸性位),然后吸附態 NO(或 O2 )與氣態的 O2 (或 NO)反應生成 C—NO2 [16] ,即 Eley-Rideal(E-R)反應機理,反應過程為式(9)和式(10):

NO + C→C—NO (9)

2C—NO + O2→2C—NO2 (10)

以上兩種觀點認為氣態的 NO 被氧化成為 NO2 后被吸附于活性炭表面及孔隙內。

主流觀點三認為 NO 的吸附可分為兩個獨立過程。一是可逆過程,即在活性炭表面生成 NO 二聚物形式,如式(11)和式(12):

2NO(g)?(NO)2 (a) (11)

(NO)2 + 2C?2C(NO) (12)

二是不可逆過程,即 NO 被活性炭轉化為 N2 及 C(O)、C(O2 )形式[17] ,如式(13)和式(14):

2C + (NO)2→2C(O) + N2 (13)

2C + (NO)2→C(O2 ) + N2 (14)

活性炭豐富的孔隙結構對其吸附性有重要影響,尤其是微孔結構,擁有巨大的比表面積,呈現出極強的吸附作用。然而,活性炭吸附特性不僅取決于它的孔隙結構,還取決于其表面化學性質。表面化學性質在更大程度上決定了活性炭的化學吸附。活性炭化學性質主要由表面官能團種類與數量、表面雜原子與化合物確定,不同的表面官能團、雜原子和化合物使其對不同吸附質的吸附性有明顯差別。結合上述活性炭脫硫脫硝機理可看出,對活性炭進行改性,應優化其孔徑分布,盡可能使活性炭具有更高微孔率及更大比表面積。同時改變活性炭表面化學性質,改變表面酸堿性或增加表面含氧及含氮基團,使活性炭對 SO2 、NOx 吸附具有更高選擇性。