活性炭的吸附天然气及净化黄磷尾气的应用分析

关键词：活性炭  天然气  吸附  硫化氢  净化

一、前言

　　活性炭是一种常用的吸附剂．为黑色多孔固体。孔隙结构发达，具有巨大的比表面积。正由于活性炭的这些特性，它对气体、溶液中的无机或有机物质及胶体颗粒等都有很强的吸附能力。正因为活性炭具有比表面积大，微孔结构丰富和吸附容量高的特点，所以，作为一种重要的固体吸附剂，它目前已被广泛应用于分离、提纯和催化工艺。在废水处理中，活性炭不仅可以通过吸附作用去除水中的有机物,还可以去除水中的重金属离子等无机污染物。在一些工业生产中，如煤的生产工艺中，它作为固体吸附剂可以进行脱硫工艺分离硫来减少硫的排放。在天然气的开发生产中，活性炭也占据了一个重要身份角色，活性炭可以用于贮存天然气的作用。在一些实验研究中，活性炭更是演绎了一个重要的角色，它可以用于采集一些气体样品或溶液中的一些有机的、无机的成分进行系统的科学实验研究。

活性炭对各种物质的吸附力具有选择性的。

首先，活性炭对有机物的吸附，一般认为有3种形式的力，即：扩散力、供一受电子交换作用和静电作用。活性炭对有机物的吸附与活性炭本身的性质、有机物性质、吸附条件都有关系，具体包括活性炭的比表面积、孔径分布、杂质含量、疏水性、表面官能团的含量等物理和化学性质l有机物本身的性质。如极性、疏水性、分子直径、酸性和碱性；吸附条件如温度、pH值和溶剂极性等。

其次，活性炭表面的含氧官能团使得活性炭亲水性、吸附选择性、离子交换能力和对金属的亲和力增加，表面pHPZC 值降低，所以在吸附金属离子时，活性炭对金属离子的吸附能力和吸附选择性有所提高。对于吸附金属离子的吸附机理说法也各不相同，主要有：静电作用力机理和离子交换机理。

最后，从不同原料与方法制成的颗粒活性炭，吸附气体的量，大有差异。一般被活性炭吸附的气体有，烷烃、烯烃、乙炔、苯蒸汽、氢、氮、氯、氧、二氧化硫、硫化氢、氯化氢、氨、一氧化碳、二氧化碳等等，都会有不同的选择性吸附。在高温下，活性炭还可以除去二氧化硫。

二、吸附天然气技术

天然气储运方式应发展以管道和液化天然气方式为主,以高压压缩天然气( CN G) 、吸附天然气(AN G) 和天然气水合物( HN G) 为辅的多元化天然气储运战略模式,灵活多变地适应和开发下游市场,降低单一储运方式的呆滞性和风险性,丰富天然气产业链,促进其健康、有序、快速地发展。

吸附储存天然气的最佳场所集中在1～2 nm 的微孔中,因此这种吸附剂必须具有发达的微孔和适宜的孔径。而在天然气产业中一般使用的吸附剂是粉体吸附剂。

制取天然气吸附剂的原料来源非常广泛,主要有木炭、泥煤、泥煤焦碳、石油产物、褐煤及其半焦碳等含碳物质,这些原料的共同特点就是含有大量的稠环芳烃结构。原料的广泛性为此项技术的产业化提供了充分的现实基础。预活化过程主要是发生部分脱水和碳化反应,产生大量甲烷、氢气、一氧化碳以及一些重烃气体,改善了原料表面的憎水特性,使其容易与活化剂充分润湿,并形成部分大孔,为活化剂进入原料颗粒内部提供充分的途径。

在天然气吸附剂的成型工艺上则要求粘结剂含量低、型炭密度大,因此比活性炭的粘结剂含量少、成型压力高、成型时间长。粘结剂含量少,要求物料混合的均匀程度高;成型压力高,模具成本和液压机运行成本就高;成型时间长,则降低了设备使用效率,必然增加吸附剂成型成本。

吸附剂使用寿命的影响因素主要有吸附剂表面化学性质、吸附热效应、吸附气质组成等。吸附剂表面化学性质属于材料本身性质,与其制备过程有关。由于吸附剂的孔隙骨架结构都是由几层碳原子片层弯曲变形所构成,界面上的碳原子大多形成了含氧官能团,可提高微孔吸附甲烷分子的能力。

吸附气质的影响程度主要与气质中杂质含量及其在吸附剂上的吸附量有关。由于实际天然气气体中除甲烷外还含有乙烷、丙烷、氮气、硫化氢、二氧化碳、水蒸气及其他重烃组分,在AN G 技术应用过程中会对吸附剂性能产生较大影响。研究结果表明乙烷、丙烷及丁烷等在吸附剂上产生可逆优先吸附,通过加热等方式可基本上恢复吸附剂的性能。研究结果表明乙烷、丙烷及丁烷等在吸附剂上产生可逆优先吸附,通过加热等方式可基本上恢复吸附剂的性能。由于硫化氢具有较强的还原性,容易在吸附剂微孔中被氧化成单质硫而堵塞孔道,产生不可逆吸附,造成吸附剂中毒,降低使用寿命,所以AN G 技术在实际应用中须先除去天然气中的硫化氢。

天然气吸附剂作为一种新型炭材料,具有发达的微孔和极大的比表面积,应用领域极为广阔。目前已处于技术开发状态的主要有:天然气汽车燃料的吸附储存材料、双电层电容器电极材料、变压吸附的超临界气体分离材料。有待开发的应用领域主要包括:城市天然气管网的调峰材料、无天然气管网地区的储运材料等。可以预计,天然气吸附剂的应用和发展可能会成为我国一项新型产业。

三、活性炭法净化黄磷尾气中硫化氢、磷化氢的研究进展

黄磷是一种重要的化工产品。所以它的生产量自然会很高，全世界黄磷生产能力约150 万t/ a ,我国黄磷生产能力约113 万t/ a 。黄磷尾气是电炉法生产黄磷过程中的副产物,每生产1 t 黄磷可副产尾气2 500～3 000 m3 ,若直接排放将对空气造成极大的污染。黄磷尾气中的一氧化碳含量较高(体积分数大于85 %) ,热值也较高(11 700kJ / m3) ,所以净化黄磷尾气制取高纯度一氧化碳,并作为原料用于一碳化工产品的合成,是涉及化工环保的重要课题。

由于原磷矿石等原料的组成、生产操作工艺的不同,黄磷尾气的组成也有所变化。黄磷尾气的典型组成 (体积分数) 为:CO 85 %～90 % ,CO2 2 %～6 % ,N2 1 %～5 % ,H2 4 %～8 % ,CH4 014 % ,O2 110 % ,其中的杂质(质量浓度,mg/ m3 ) 为: P 500～1 000 ,S600～3 000 ,F 400～500 ,As 70～80 。黄磷尾气中有害杂质较多,特别是硫、磷等,其净化分离难度较大。

由于活性炭具有较大的比表面积、较大的孔容和较好的热力学稳定性,而且活性炭表面易于用各种各样的物理、化学方法进行修饰,所以利用活性炭吸附净化气体受到人们的重视,得到了广泛的应用。

1、 硫化氢的净化

利用活性炭吸附净化H2S、PH3 等酸性气体一般要先用碱性物质对活性炭进行活化处理,如用KI、KMnO4 、KOH、NaOH 和NH3•H2O 等浸渍。活化后的碱性活性炭对酸性气体的去除效率很高,但浸渍后的活性炭由于浸渍液填充了孔径体系,限制了其物理吸附能力,所以浸渍后活性炭的吸附量比未浸渍的活性炭有所下降 ,而且价格要比未浸渍的高许多。。通过对不同来源活性炭(如泥煤、木材、生煤、椰子壳、石油沥青等)对H2S 气体吸附性能的研究发现,不同类型的活性炭的吸附活性也有所不同,其中由椰子壳制的活性炭比其他活性炭的吸附性能要好,而煤制活性炭的性能最差。污泥活性炭对潮湿空气中的硫化氢吸附效果较好。

2、 磷化氢的净化

PH3 的净化一般是采用活性炭为载体,采用浸渍法制备负载型活性炭,然后对PH3 进行净化。有用质量分数为20 %的硫浸渍过的活性炭、以盐酸作浸渍液制备催化剂，等等。

利用活性炭吸附净化黄磷尾气中的有害杂质磷化氢、硫化氢,能使二者在尾气中的质量浓度均小于1 mg/ m3 ,净化效果很好,能够满足后续生产过程中对一氧化碳原料气的要求,为黄磷尾气有效利用提供了基础。

四、结语

综上所述，我们可以知道，由于活性炭具有吸附速度快、易再生等优点,在环保领域日益显示出其主导地位,越来越受到人们的重视。人们也开始就现在活性炭的性质和当前生产的需要继续研究新的更加适合社会发展需要的新型活性炭，其中出现了活性炭纤维，污泥活性炭，等等。在不久的将来，活性炭被应用的领域可能会更宽，因为不同的新型活性炭已逐渐去满足社会的发展需要了。