二氧化碳在活性炭颗粒中的吸附量测定

1、第 33 卷 二氧化碳在活性炭颗粒中的吸附量测定 傅水香 *， 王耀强 （华北电力大学环境科学与工程学院， 河北保定071003 ） 摘要： 文章研究了系列条件下， 二氧化碳在活性炭颗粒中的吸附量。 实验测定了二氧化碳吸附量与吸附时间之间的关系， 确定了最 佳吸附时间； 测定了二氧化碳流量变化对吸附性能的影响， 以及温度变化对吸附性能的影响。 关键词： 二氧化碳； 活性炭颗粒； 吸附量 中图分类号： X830文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.1003-6504.2010.6E.068文章编号： 1003-6504(2010)6E-0260-03 Experimental

2、determination of the adsorption capacity of carbon dioxide on activated carbon granules FU Shui-xiang*, WANG Yao-qiang （School of Environmental Science and Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China） Abstract：In this paper, the adsorption capacity of carbon dioxide on

3、activated carbon granules under series of conditions was studied. The relationship between the adsorption capacity and the adsorption time was measured and the optimized adsorption time was obtained. The influences of flow rate of carbon dioxide and the temperature on adsorption capacity were experi

4、mental determined. Key words：carbon dioxide；activated carbon granule；adsorption capacity 收稿日期： 2009-12-15； 修回 20100401 作者简介： 傅水香 （1974- ） ， 女， 助理工程师， 本科毕业， 主要从事实验室管理，（电话 ）（电子信箱 ）； * 通讯作者。 工业化以来， 不断排放二氧化碳产生的温室效应 和全球变暖引发了各种危及人类生存的自然灾害。 各 国均在二氧化碳减排方面积极采取措施以应对全球 气候变暖带来的危害。至今为止， 二氧化碳的减排措 施主

5、要分为源头减排和下游减排两个方面。 前者包括 （1 ） 调整经济结构、 能源结构、 产品结构， 建立低能耗、 低排放的企业， 对高能耗工业进行改造， 用高新技术 提升传统产业，发展附加价值高的低能耗新兴产业 等；（2 ） 推广节能技术， 提高能源利用效率；（3 ） 大力发 展可再生能源、 先进核电技术、 高效的煤洁净利用技 术、 天然气发电技术、 多联产技术等；（4 ） 改变人们生 活方式等。后者主要通过物理、 化学、 生物等方法， 对 已经生成的二氧化碳进行分离、 捕集和贮存， 达到减 排目的， 是目前发展的主要方向。 近几年， 二氧化碳的捕集、 封装、 贮存及后续处理 方面有了较为显著的发

6、展。 二氧化碳的捕集是整个控 制体系的第一步， 其主要技术有： 吸收法1-5(包括化学 吸收法、 物理吸收法)、 吸附分离法6-7(包括物理吸附和 化学吸附)、 膜分离法8-10， 以及低温冷凝法、 化学循环 燃烧法和电化学法等。尽管化学吸收法、 物理吸收法 等方法在天然气工业二氧化碳分离方面已获得一定 的应用， 但对于燃煤电厂而言， 由于烟气量大， 二氧化 碳浓度低， 烟气脱碳的代价很大。二氧化碳捕集过程 是一个耗能过程， 据估计， 电力部门仅捕集二氧化碳 的费用就使电力生产成本增加 30%以上， 如此高的成 本是电力部门难以承受的。现有捕集方法， 由于设备 投资大、 成本高、 工艺复杂，

7、限制了其用于电厂烟气中 二氧化碳的减排。只有工艺简单、 设备投资小、 成本 低、 能耗小、 操作简单的分离方法， 如基于干法的吸附 分离工艺， 在电厂烟气中二氧化碳捕集工艺中才有应 用前景。 吸附分离是基于气体与吸附剂面上活性点之间 的分子间引力来实现的， 二氧化碳的吸附剂一般为一 些特殊的固体材料， 如沸石、 活性碳、 分子筛、 氧化铝 凝胶等。 吸附分离过程是在填充吸附材料的滤床内进 行的。 吸附分离中利用吸附量随压力变化而使某种气 体分离回收的为变压吸附， 利用吸附量随温度变化而 分离回收的为变温吸附。 用变压吸附法分离回收二氧 Environmental Science & Techn

8、ology 第 33 卷第 6E 期 2010 年 6 月 Vol. 33No.6E June2010 第 6E 期傅水香, 等 二氧化碳在活性炭颗粒中的吸附量测定 化碳是通过加压吸附过程和减压脱附过程反复进行 实现的， 为了连续地分离回收二氧化碳， 至少应设置 两个交叉进行吸附和脱附的基本系统。 而在变温吸附 过程中， 滤床内二氧化碳的脱吸和吸附剂的再生是利 用提高温度来完成的，其能耗是变压吸附的 23 倍， 且体积庞大， 吸附剂的再生时间长， 因此， 变压吸附比 变温吸附系统有更大的优越性。同时， 变压吸附法属 于干法体系， 可不考虑腐蚀问题， 操作简单， 易自动 化。 活性炭具有微晶结构

9、，微晶排列完全不规则， 晶 体中有微孔、 过渡孔、 大孔， 使它具有很大的内表面， 比表面积为 5001700m2/g。 这决定了活性炭具有良好 的吸附性能。活性碳用于二氧化碳的吸收不方面， Park11等研究了活性炭的酸碱值变化对二氧化碳和氨 气吸附行为的影响， 张双全12等通过用于吸附分离 CO2的活性碳研究不仅测定了活性碳的比表面积、 微 孔容积等指标， 还将活性碳成功应用于变压吸附法提 纯氢气的工业装置， 黄艳芳13、 马正飞和张丽丹14等均 对活性碳吸附进行了相关研究， 得到了活性碳的性能 参数及吸附模型、 吸附曲线等。 本文的主要目的是研究系列条件下，吸附时间、 气体流量和温度对二

10、氧化碳在活性炭颗粒中的吸附 量的影响。为此， 本文实验测定了 CO2吸附量与吸附 时间、 CO2流量及温度变化之间的定量关系。 1实验 1.1实验仪器和方法 实验过程所需要的试剂如下： (1)活性碳颗粒： 天津市美琳工贸有限公司生产。 (2)瓶装高纯 CO2气体： 河北省保定市京联气体 公司生产。实验装置如图 1 所示。 由于从市场上购买的活性碳颗粒在储存的过程 中不可避免的会接触到空气和外界环境， 会吸附一定 的吸附质如空气中的二氧化碳、水蒸汽以及其它杂 质， 所以需对活性炭进行再生的预处理， 清除其中吸 附的杂质， 保证实验用活性碳的吸附活性和实验结果 的可靠性。本实验过程中，将活性碳颗粒

11、置于 DZF- 6050 型真空干燥箱中，在 150高温下抽取真空 2.5 小时进行再生。实验前， 称量吸附床(包括吸附床自身 重量 Ma及活性炭的质量 Mb)的重量 M1， 吸附完成后， 称量吸附床的重量为 M2，二氧化碳在活性炭上的吸 附率=(M2-M1)/Mb100%。 1.2吸附时间的影响 在活性炭的吸附过程中， 二氧化碳气体占据活性 中心是一个渐进的过程， 即需要一定的时间来使吸附 达到平衡， 这一段时间即所谓吸附平衡时间。只有达 到了吸附平衡时间，活性炭才能最大限度的发挥效 能，本次实验对活性炭的吸附平衡时间进行了研究。 实验之前， 称取适量的活性炭颗粒， 然后将其至于真 空烘干箱

12、内， 在恒温 150下抽真空， 烘干 2.5h。实验 过程中， 调整 CO2流量为 100mL/min， 25下， 分别吸 附 5、 10、 15、 20、 25 和 40min 后， 切断气阀， 将吸附柱 取出， 置于 FA160CA 电子天平称重并记录， 结果如表 1 所示。 从表 1 可以看出， 吸附 25min 后活性炭的吸附率 基本趋于稳定，说明此时吸附过程已经接近平衡， 活 性碳吸附已接近吸附饱和。本文的所有实验中， 均以 30min 为吸附平衡时间。 1.3二氧化碳流量的影响 实验过程中，调整 CO2流量为 70、 100、 150、 200 和 250mL/min， 室温(25

13、)下， 吸附 30min 后， 切断气 阀， 将吸附柱取出， 置于 FA160CA 电子天平称重并记 录， 结果如表 2 所示。 从表 2 可以看出，当气体流量在 70250mL/min 吸附时间 (min) 吸附率() (%) CO2流量 (mL/min) 吸附温度 () 53.866010025 104.406010025 154.834310025 205.140810025 255.190510025 305.140810025 355.104210025 405.290810025 455.293710025 表 1CO2吸附率与吸附时间的关系 CO2流量 (mL/min) 吸附率(

14、) (%) 吸附温度 () 吸附时间 (min) 704.69762530 1004.69922530 1504.70812530 2004.70862530 表 2CO2吸附率与气体流量的关系 261 第 33 卷 的时候， 吸附率是逐渐增加的， 但流量的增加对活性 碳的吸附影响并不是很大， 因此， 二氧化碳的流量对 吸附率的贡献不大， 流量不是主要影响参数。 1.4吸附温度的影响 在吸附过程中， 当气体的温度改变时， 会影响活 性炭对二氧化碳气体的吸附， 因此研究不同温度下活 性碳的吸附情况是十分必要的。吸附是放热过程， 低 温越有利； 而脱附是吸热的过程， 高温有利。 因为吸附 时间、

15、压力等都会对吸附过程产生影响， 所以本实验 通过控制相同的其它条件， 对从 2595条件下， 活性 碳对二氧化碳的吸附率进行了研究。实验赛程中， 调 整二氧化碳流量为 100mLl/min， 分别控制 25、 35、 45、 55、 65、 75、 85 和 95等 8 个不同温度， 系列温度下的 吸附率如表 3 所示。 从表 3 可以看出， 在吸附过程中， 随着二氧化碳 气体温度的增加，活性炭的吸附率是逐渐下降的， 其原因是吸附和脱附同时进行，处于一种动态的过 程， 吸附是放热过程， 脱附是吸热过程， 随着吸附温度 的增加， 更有利于脱附的进行， 使吸附率下降。 2结论 本文研究了气体流量、

16、 吸附时间和温度对活性炭 吸附的影响， 通过一系列的实验， 得到以下结论： （1 ） 随着流量的增加， 吸附率变化很小。 说明二氧 化碳的流量并非实验过程的主要影响因素。 （2 ） 随着吸附温度的升高， 吸附率明显下降， 验证 了吸附过程是个放热过程， 温度上升不利于吸附。 （3 ） 确定了不同吸附时间活性炭纤维吸附率的变 化， 活性炭吸附二氧化碳的最佳吸附时间为 25min。 参考文献 1 Nahicenovic N, John, A CO2reduction and removal： mea sures for the next century J. Energy, 1991, 16 (1

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