果皮衍生吸附剂制备及硫化氢脱除机理研究

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硫化氢是一种有毒的无色腐蚀性气体,严重危害人类的日常生活与工业生产,常温下普遍使用高比表面积的活性炭为载体,经过改性处理后对硫化氢进行脱除。商业活性炭一般以煤炭为原料进行制备,若以高含水率、低灰分的果皮垃圾为原料,来制备高硫容的活性炭基硫化氢吸附剂,则可以在降低原料成本减少化石能源使用的同时达到以废治废的目的,有利于果皮垃圾的高附加值利用。因此,本文提出果皮垃圾水热-活化制备活性炭-负载金属改性制备脱硫剂这一工艺方案,实现果皮垃圾的资源化处置与硫化氢的脱除。本文以柚子皮为原料研究了水热温度、活化温度、固碱比和活化时长等制备条件对柚皮基活性炭性能的影响,并探究了水分、氧气和温度等反应条件对硫化氢脱除效果的影响。水热炭化所得的柚皮基水热炭孔隙结构不够发达,BET比表面积最高仅为15.3m~2/g,经过KOH活化后水热炭的比表面积和孔体积均得到显著提升。设计正交试验确定最佳的柚皮基活性炭(KAC)的制备条件为:水热炭化温度为210℃,活化温度为700℃,固碱比为1:2。该条件下活性炭的活化产率为29.1%,BET比表面积为1077.9m~2/g,微孔比表面积为849.5 m~2/g,总孔容为0.6949 cm3/g,微孔孔容为0.5348 cm~3/g。柚皮基活性炭的硫化氢脱除性能较弱,因此负载Mg、Mn、Fe、Zn和Cu五种金属以提高其穿透硫容,结果表明Cu对柚皮基活性炭的改性效果最好。焙烧温度会影响KAC中铜的价态和分散度,随着焙烧温度从300℃升高至550℃,KAC中铜的价态转变路径为:Cu2(OH)3NO3→Cu O→Cu2O→Cu~0,CuO/KAC、Cu2O/KAC和Cu/KAC对硫化氢均具有较好的脱除效果,其中效果最好的是焙烧温度为550℃,负载量为20 wt.%的Cu/KAC。硫化氢的脱除过程中,水蒸气和氧气的加入有助于硫化氢的脱除,常温下水蒸气相对湿度为80%RH,氧气浓度为1%时,Cu/KAC的穿透时间最久为111 min,穿透硫容高达396.7 mg/g。Cu/KAC的脱硫产物均为硫化物、硫单质、有机硫和硫酸盐,各形态的硫占比随反应条件而改变,其中单质硫占比最高为50.19%。
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