活性炭改性及其脱硫脱硝性能

1 活性炭脱硫脱硝机理 

1. 1 活性炭脱硫机理 

活性炭表面吸附 SO2 时,其孔隙结构中的微孔结构往往起着至关重要的作用。 活性炭表面结构错综复 杂,形态不一,尺寸大小各不相同,而 SO2 在活性炭上被吸附时首先就是接触活性炭表面,因而活性炭丰富的 孔结构为 SO2 提供了足够的接触空间,有利于活性炭吸附 SO2  。 活性炭的脱硫机理为表面活性位点先对 SO2 进行物理吸附,吸附态 SO2 再与 H2O 和 O2 产生化学反应,最终生成 H2 SO4 。 

反应步骤如式(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 是吸附态;g 是气相;AC 表示表面活性位。 

1. 2 活性炭脱硝机理 活性炭用于脱除 NOx 的机理为 NO 先吸附在活性炭表面,然后在 O2 的作用下氧化生成 NO2 。 同时,活 性炭作为催化剂亦可大大降低 NH3 与 NOx 反应的活化能,从而有效提高脱硝率 。 但活性炭以氧化反应 还是还原反应脱除氮氧化物目前尚未形成统一定论。 主流观点之一是活性炭表面具有活性位,NO 和 O2 均被吸附于活性位,吸附态的 NO 被 O2 氧化生成吸 附态的 NO2  ,即脱硝符合 Langmuir-Hinshelwood(L-H)反应机理,反应方程如式(6) ~ 式(8): 

NO + C→C—NO (6) 

O2 + 2C→2C—O (7)

C—NO + C—O→C—NO2 + C (8) 

主流观点之二认为 NO(或 O2 )被吸附于活性炭表面(如 Lewis 或 Bronsted 酸性位),然后吸附态 NO(或 O2 )与气态的 O2 (或 NO)反应生成 C—NO2 [16] ,即 Eley-Rideal(E-R)反应机理,反应过程为式(9)和式(10):

 NO + C→C—NO (9) 

2C—NO + O2→2C—NO2 (10)

以上两种观点认为气态的 NO 被氧化成为 NO2 后被吸附于活性炭表面及孔隙内。

主流观点三认为 NO 的吸附可分为两个独立过程。 一是可逆过程,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) 

二是不可逆过程,即 NO 被活性炭转化为 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) 

活性炭丰富的孔隙结构对其吸附性有重要影响,尤其是微孔结构,拥有巨大的比表面积,呈现出极强的 吸附作用。 然而,活性炭吸附特性不仅取决于它的孔隙结构,还取决于其表面化学性质。 表面化学性质在更 大程度上决定了活性炭的化学吸附。 活性炭化学性质主要由表面官能团种类与数量、表面杂原子与化合 物确定,不同的表面官能团、杂原子和化合物使其对不同吸附质的吸附性有明显差别。 结合上述活性炭脱硫 脱硝机理可看出,对活性炭进行改性,应优化其孔径分布,尽可能使活性炭具有更高微孔率及更大比表面积。 同时改变活性炭表面化学性质,改变表面酸碱性或增加表面含氧及含氮基团,使活性炭对 SO2 、NOx 吸附具 有更高选择性。