1、第 33 卷 二氧化碳在活性炭顆粒中的吸附量測定 傅水香 *， 王耀強 （華北電力大學環(huán)境科學與工程學院， 河北保定071003 ） 摘要： 文章研究了系列條件下， 二氧化碳在活性炭顆粒中的吸附量。 實驗測定了二氧化碳吸附量與吸附時間之間的關(guān)系， 確定了最 佳吸附時間； 測定了二氧化碳流量變化對吸附性能的影響， 以及溫度變化對吸附性能的影響。 關(guān)鍵詞： 二氧化碳； 活性炭顆粒； 吸附量 中圖分類號： X830文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1003-6504.2010.6E.068文章編號： 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 作者簡介： 傅水香 （1974- ） ， 女， 助理工程師， 本科畢業(yè)， 主要從事實驗室管理，（電話 ）（電子信箱 ）； * 通訊作者。 工業(yè)化以來， 不斷排放二氧化碳產(chǎn)生的溫室效應(yīng) 和全球變暖引發(fā)了各種危及人類生存的自然災害。 各 國均在二氧化碳減排方面積極采取措施以應(yīng)對全球 氣候變暖帶來的危害。至今為止， 二氧化碳的減排措 施主

5、要分為源頭減排和下游減排兩個方面。 前者包括 （1 ） 調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、 能源結(jié)構(gòu)、 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)， 建立低能耗、 低排放的企業(yè)， 對高能耗工業(yè)進行改造， 用高新技術(shù) 提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，發(fā)展附加價值高的低能耗新興產(chǎn)業(yè) 等；（2 ） 推廣節(jié)能技術(shù)， 提高能源利用效率；（3 ） 大力發(fā) 展可再生能源、 先進核電技術(shù)、 高效的煤潔凈利用技 術(shù)、 天然氣發(fā)電技術(shù)、 多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)等；（4 ） 改變?nèi)藗兩?活方式等。后者主要通過物理、 化學、 生物等方法， 對 已經(jīng)生成的二氧化碳進行分離、 捕集和貯存， 達到減 排目的， 是目前發(fā)展的主要方向。 近幾年， 二氧化碳的捕集、 封裝、 貯存及后續(xù)處理 方面有了較為顯著的發(fā)

6、展。 二氧化碳的捕集是整個控 制體系的第一步， 其主要技術(shù)有： 吸收法1-5(包括化學 吸收法、 物理吸收法)、 吸附分離法6-7(包括物理吸附和 化學吸附)、 膜分離法8-10， 以及低溫冷凝法、 化學循環(huán) 燃燒法和電化學法等。盡管化學吸收法、 物理吸收法 等方法在天然氣工業(yè)二氧化碳分離方面已獲得一定 的應(yīng)用， 但對于燃煤電廠而言， 由于煙氣量大， 二氧化 碳濃度低， 煙氣脫碳的代價很大。二氧化碳捕集過程 是一個耗能過程， 據(jù)估計， 電力部門僅捕集二氧化碳 的費用就使電力生產(chǎn)成本增加 30%以上， 如此高的成 本是電力部門難以承受的?，F(xiàn)有捕集方法， 由于設(shè)備 投資大、 成本高、 工藝復雜，

7、限制了其用于電廠煙氣中 二氧化碳的減排。只有工藝簡單、 設(shè)備投資小、 成本 低、 能耗小、 操作簡單的分離方法， 如基于干法的吸附 分離工藝， 在電廠煙氣中二氧化碳捕集工藝中才有應(yīng) 用前景。 吸附分離是基于氣體與吸附劑面上活性點之間 的分子間引力來實現(xiàn)的， 二氧化碳的吸附劑一般為一 些特殊的固體材料， 如沸石、 活性碳、 分子篩、 氧化鋁 凝膠等。 吸附分離過程是在填充吸附材料的濾床內(nèi)進 行的。 吸附分離中利用吸附量隨壓力變化而使某種氣 體分離回收的為變壓吸附， 利用吸附量隨溫度變化而 分離回收的為變溫吸附。 用變壓吸附法分離回收二氧 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 二氧化碳在活性炭顆粒中的吸附量測定 化碳是通過加壓吸附過程和減壓脫附過程反復進行 實現(xiàn)的， 為了連續(xù)地分離回收二氧化碳， 至少應(yīng)設(shè)置 兩個交叉進行吸附和脫附的基本系統(tǒng)。 而在變溫吸附 過程中， 濾床內(nèi)二氧化碳的脫吸和吸附劑的再生是利 用提高溫度來完成的，其能耗是變壓吸附的 23 倍， 且體積龐大， 吸附劑的再生時間長， 因此， 變壓吸附比 變溫吸附系統(tǒng)有更大的優(yōu)越性。同時， 變壓吸附法屬 于干法體系， 可不考慮腐蝕問題， 操作簡單， 易自動 化。 活性炭具有微晶結(jié)構(gòu)

9、，微晶排列完全不規(guī)則， 晶 體中有微孔、 過渡孔、 大孔， 使它具有很大的內(nèi)表面， 比表面積為 5001700m2/g。 這決定了活性炭具有良好 的吸附性能?；钚蕴加糜诙趸嫉奈詹环矫妫?Park11等研究了活性炭的酸堿值變化對二氧化碳和氨 氣吸附行為的影響， 張雙全12等通過用于吸附分離 CO2的活性碳研究不僅測定了活性碳的比表面積、 微 孔容積等指標， 還將活性碳成功應(yīng)用于變壓吸附法提 純氫氣的工業(yè)裝置， 黃艷芳13、 馬正飛和張麗丹14等均 對活性碳吸附進行了相關(guān)研究， 得到了活性碳的性能 參數(shù)及吸附模型、 吸附曲線等。 本文的主要目的是研究系列條件下，吸附時間、 氣體流量和溫度對二

10、氧化碳在活性炭顆粒中的吸附 量的影響。為此， 本文實驗測定了 CO2吸附量與吸附 時間、 CO2流量及溫度變化之間的定量關(guān)系。 1實驗 1.1實驗儀器和方法 實驗過程所需要的試劑如下： (1)活性碳顆粒： 天津市美琳工貿(mào)有限公司生產(chǎn)。 (2)瓶裝高純 CO2氣體： 河北省保定市京聯(lián)氣體 公司生產(chǎn)。實驗裝置如圖 1 所示。 由于從市場上購買的活性碳顆粒在儲存的過程 中不可避免的會接觸到空氣和外界環(huán)境， 會吸附一定 的吸附質(zhì)如空氣中的二氧化碳、水蒸汽以及其它雜 質(zhì)， 所以需對活性炭進行再生的預處理， 清除其中吸 附的雜質(zhì)， 保證實驗用活性碳的吸附活性和實驗結(jié)果 的可靠性。本實驗過程中，將活性碳顆粒

11、置于 DZF- 6050 型真空干燥箱中，在 150高溫下抽取真空 2.5 小時進行再生。實驗前， 稱量吸附床(包括吸附床自身 重量 Ma及活性炭的質(zhì)量 Mb)的重量 M1， 吸附完成后， 稱量吸附床的重量為 M2，二氧化碳在活性炭上的吸 附率=(M2-M1)/Mb100%。 1.2吸附時間的影響 在活性炭的吸附過程中， 二氧化碳氣體占據(jù)活性 中心是一個漸進的過程， 即需要一定的時間來使吸附 達到平衡， 這一段時間即所謂吸附平衡時間。只有達 到了吸附平衡時間，活性炭才能最大限度的發(fā)揮效 能，本次實驗對活性炭的吸附平衡時間進行了研究。 實驗之前， 稱取適量的活性炭顆粒， 然后將其至于真 空烘干箱

12、內(nèi)， 在恒溫 150下抽真空， 烘干 2.5h。實驗 過程中， 調(diào)整 CO2流量為 100mL/min， 25下， 分別吸 附 5、 10、 15、 20、 25 和 40min 后， 切斷氣閥， 將吸附柱 取出， 置于 FA160CA 電子天平稱重并記錄， 結(jié)果如表 1 所示。 從表 1 可以看出， 吸附 25min 后活性炭的吸附率 基本趨于穩(wěn)定，說明此時吸附過程已經(jīng)接近平衡， 活 性碳吸附已接近吸附飽和。本文的所有實驗中， 均以 30min 為吸附平衡時間。 1.3二氧化碳流量的影響 實驗過程中，調(diào)整 CO2流量為 70、 100、 150、 200 和 250mL/min， 室溫(25

13、)下， 吸附 30min 后， 切斷氣 閥， 將吸附柱取出， 置于 FA160CA 電子天平稱重并記 錄， 結(jié)果如表 2 所示。 從表 2 可以看出，當氣體流量在 70250mL/min 吸附時間 (min) 吸附率() (%) CO2流量 (mL/min) 吸附溫度 () 53.866010025 104.406010025 154.834310025 205.140810025 255.190510025 305.140810025 355.104210025 405.290810025 455.293710025 表 1CO2吸附率與吸附時間的關(guān)系 CO2流量 (mL/min) 吸附率(

14、) (%) 吸附溫度 () 吸附時間 (min) 704.69762530 1004.69922530 1504.70812530 2004.70862530 表 2CO2吸附率與氣體流量的關(guān)系 261 第 33 卷 的時候， 吸附率是逐漸增加的， 但流量的增加對活性 碳的吸附影響并不是很大， 因此， 二氧化碳的流量對 吸附率的貢獻不大， 流量不是主要影響參數(shù)。 1.4吸附溫度的影響 在吸附過程中， 當氣體的溫度改變時， 會影響活 性炭對二氧化碳氣體的吸附， 因此研究不同溫度下活 性碳的吸附情況是十分必要的。吸附是放熱過程， 低 溫越有利； 而脫附是吸熱的過程， 高溫有利。 因為吸附 時間、

15、壓力等都會對吸附過程產(chǎn)生影響， 所以本實驗 通過控制相同的其它條件， 對從 2595條件下， 活性 碳對二氧化碳的吸附率進行了研究。實驗賽程中， 調(diào) 整二氧化碳流量為 100mLl/min， 分別控制 25、 35、 45、 55、 65、 75、 85 和 95等 8 個不同溫度， 系列溫度下的 吸附率如表 3 所示。 從表 3 可以看出， 在吸附過程中， 隨著二氧化碳 氣體溫度的增加，活性炭的吸附率是逐漸下降的， 其原因是吸附和脫附同時進行，處于一種動態(tài)的過 程， 吸附是放熱過程， 脫附是吸熱過程， 隨著吸附溫度 的增加， 更有利于脫附的進行， 使吸附率下降。 2結(jié)論 本文研究了氣體流量、

16、 吸附時間和溫度對活性炭 吸附的影響， 通過一系列的實驗， 得到以下結(jié)論： （1 ） 隨著流量的增加， 吸附率變化很小。 說明二氧 化碳的流量并非實驗過程的主要影響因素。 （2 ） 隨著吸附溫度的升高， 吸附率明顯下降， 驗證 了吸附過程是個放熱過程， 溫度上升不利于吸附。 （3 ） 確定了不同吸附時間活性炭纖維吸附率的變 化， 活性炭吸附二氧化碳的最佳吸附時間為 25min。 參考文獻 1 Nahicenovic N, John, A CO2reduction and removal： mea sures for the next century J. Energy, 1991, 16 (1

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