簡相坤(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院，北京 100091;2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，江蘇 南京 210042)

通過對市場上常見的變壓吸附精制氫氣用煤質(zhì)活性炭和椰殼活性炭進行表征，研究其孔徑結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)與CO2吸附及解吸性能的關(guān)系，然后研究了不同活化介質(zhì)對活化反應(yīng)的影響機理，摸索更適用于制備吸附CO2活性炭產(chǎn)品的工藝方法，用硝酸、過氧化氫和過硫酸銨等催化劑對活性炭產(chǎn)品進行改性處理，并且通過多次循環(huán)吸附、解吸CO2來考察活性炭的吸脫附性能。主要內(nèi)容及研究成果歸納如下:

1.明確了活性炭微結(jié)構(gòu)與吸附及解吸CO2的關(guān)系 研究市售的煤質(zhì)及椰殼活性炭在常壓動態(tài)吸附裝置中對CO2的吸附及解吸性能。通過CO2和N2的吸附等溫線表征活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)，用紅外光譜和Boehm滴定法表征活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明:微孔孔容的大小是決定活性炭對CO2吸附性能好壞的關(guān)鍵因素，其中0.5～1.0 nm的微孔對CO2吸附能力的影響較大，同時2.0～4.5 nm的中孔也對CO2吸附有積極的貢獻?；钚蕴勘砻婀倌軋F中羧基和羥基對CO2的吸附有明顯的促進作用，而羰基不利于解吸。循環(huán)吸附時，解吸率較大、孔徑分布較寬時，吸附容量減少較緩慢。

2.明確了活化介質(zhì)對活性炭微結(jié)構(gòu)及CO2吸附性能的影響 以煤質(zhì)炭化料為原料，分別以水蒸氣和CO2為活化介質(zhì)制備出微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達的活性炭。利用N2吸附等溫線、碘吸附值、亞甲基藍吸附值、CO2吸附容量和解吸率、掃描電子顯微鏡(SEM)對其進行表征。結(jié)果表明:H900，3和 C900，3制備活性炭的孔徑均以0.5～1.0 nm 的微孔為主，其中 C900，3制備活性炭0.5～1.0 nm范圍的微孔含量要比H900，3多10%以上。同時H900，3制備活性炭的中孔分布范圍為2.0～3.0 nm，C900，3的中孔分布范圍為2.0～2.5 nm。在同等實驗條件下，水蒸氣活化制備活性炭的孔徑分布更廣，亞甲基藍吸附值、碘吸附值及CO2解吸率更高，但是CO2法制備出的活性炭對CO2的吸附容量更大，循環(huán)吸附時，CO2法制備活性炭的吸附容量損失更小。

3.制備了CO2吸附專用活性炭 以CO2為活化介質(zhì)，煤質(zhì)炭化料和椰殼為原料，制備CO2吸附用活性炭，并且通過硝酸、過氧化氫、過硫酸銨改性，研究其對CO2的吸附性能及循環(huán)吸脫附性能的影響。結(jié)果表明:活化溫度為900℃，活化時間為3 h，CO2流量為3 L/min時，煤質(zhì)活性炭和椰殼活性炭對CO2的吸附容量最佳，分別是52.23和68.25 mL/g。活性炭的微孔比較發(fā)達，其中椰殼活性炭的BET比表面積、總孔容、微孔孔容、0.5～1 nm的極微孔的孔容以及微孔率均比煤質(zhì)活性炭要大，孔徑主要集中在0.5～2 nm。煤質(zhì)活性炭的孔徑主要集中在0.5～2.5 nm。硝酸改性使活性炭對CO2的吸附容量減少，過氧化氫改性和過硫酸銨改性均使CO2的吸附容量增加，其中過氧化銨使活性炭改性后CO2的吸附容量增加更多一些，但改性后活性炭的循環(huán)吸附性能下降均遠大于未改性前。

4.對活性炭吸附CO2進行了動力學(xué)研究 考察不同溫度時煤質(zhì)活性炭和椰殼活性炭對CO2的擴散系數(shù)和動力學(xué)方程擬合情況，結(jié)果表明:CO2在活性炭內(nèi)的擴散系數(shù)隨著溫度的升高而增大，并且擴散系數(shù)介于表面擴散和Kundsen擴散之間?；钚蕴繉O2的吸附容量擬合結(jié)果更符合Bangham動力學(xué)方程，通過Bangham方程計算得到的CO2吸附容量與實驗測定的吸附容量比較接近。

煤質(zhì)活性炭;椰殼活性炭;CO2吸附容量;循環(huán)吸附;吸附動力學(xué)