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活性焦的原料易得、成本低、机械强度高、有良好微观结构。其化学性质稳定,可做还原剂和催化剂以及催化剂载体,被广泛应用于环保、化工和材料等领域。微波辐照吸波物质会以热效应和非热效应共同促进反应进行,微波辐照炭材料会发生放电现象,放电产生的低温等离子体能加快化学速率,降低反应所需活化能。低温等离子体净化污染物技术具有效率高、投资小、成本低和二次污染小等特点,具有广阔的发展前景。本文在微波管式炉中利用微波诱导活性焦放电同时脱硫脱硝,利用光敏电阻与电压表监测实时放电强度,利用微波炉的控温模式与控功率模式调整微波场强,改变影响放电的重要因素(微波功率、加热终温、反应空速和反应入口NO/SO2浓度)和微波放电协同NaOH/KOH改性活性焦进行试验,研究分析反应过程中微波放电强度、脱除效率、CO生成量以及反应过程中NO和SO2的交互作用,并通过BET和FT-IR分析反应前后活性焦的微观结构,得到以下主要结论:
(1)随着微波功率的增大和加热终温的升高,整体放电强度增大,还原反应增强,脱硫脱硝效率增大;随着空速的减小,放电强度减弱,还原反应减弱,脱硝效率减小,脱硫效率增大。强放电产生的低温等离子体会促进还原反应,NO较SO2更容易发生电离且C-SO2反应所需的活化能高于C-NO,脱硝效率大于脱硫效率;弱放电下SO2的脱除主要靠微波协同活性焦发生化学吸附,SO2优先吸附的同时NO的还原反应减弱,脱硫效率大于脱硝效率。
(2)微波放电对活性焦的孔隙结构有优化作用。强放电下还原反应对孔的烧蚀大于造孔程度,使得活性焦的吸附量减小;弱放电下造孔效应使得活性焦的平均孔径减小,有助于吸附污染物。微波诱导活性焦放电可以加快含氧官能团的分解和C=C等官能团的生成,放电脱除后会生成含硫、氮官能团。
(3)随着反应入口SO2浓度的增大,放电强度和平均CO生成量略有减小,还原反应减弱,等离子体协同活性焦吸附反应增强,脱硝量减小,脱硫量增大;随着反应入口NO浓度的增大,放电强度和CO生成量明显增大,还原增强,脱硝量增大,脱硫量先增大后减小。
(4)随着入口SO2浓度的增大,生成的含硫官能团增多,含氮官能团减少,生成的含硫物质堵塞活性焦的孔隙结构,使得反应后样品的比表面积与微孔体积大大减小,在SO2浓度为1800mg/m3的工况下,活性焦的比表面积由143.301m2/g减小到44.368m2/g;随着入口NO浓度,生成的含硫官能团减小,含氮官能团先增大后减小,还原反应对孔的破坏程度增加,在NO浓度为500mg/m3的工况下,活性焦的比表面积由143.301m2/g减小到59.713m2/g。
(5)随着改性试剂NaOH/KOH浓度的增大,活性焦的含氧官能团减小,碱性官能团增多。改性活性焦的孔径分布向微孔方向偏移,微孔数量增多,有利于吸附污染物;微波放电能加速改性活性焦表面含氧官能团的分解和碱性基团的生成,同时对活性焦的孔隙结构有优化作用。微波放电协同碱性试剂改性活性焦使得活性焦的微观结构向着有利于脱硫脱硝的方向进行。与NaOH改性活性焦相比,KOH对活性焦的孔隙结构破坏更严重,表面碱性官能团增加更多。
(6)微波诱导NaOH/KOH改性活性焦放电同时脱硫脱硝试验中,随着NaOH/KOH浓度的增大,放电强度略有增大,平均CO生成量增加,等离子体密度增加,还原反应增强,同时碱性官能团的增多有助于等离子体协同活性焦脱硫脱硝。NaOH改性活性焦的工况中,浓度为12%的NaOH试剂改性的活性焦脱硫量和脱硝量最大,KOH改性活性焦的工况中,浓度为8%的KOH试剂改性的活性焦脱硫量最大,浓度为12%的KOH试剂改性的活性焦脱硝量最大。
(7)通过BET分析可知改性活性焦脱除后的比表面积和微孔体积较脱除前有一定的增大。FT-IR分析可得改性活性焦脱硫脱硝后含硫、氮官能团振动峰明显增强。
(1)随着微波功率的增大和加热终温的升高,整体放电强度增大,还原反应增强,脱硫脱硝效率增大;随着空速的减小,放电强度减弱,还原反应减弱,脱硝效率减小,脱硫效率增大。强放电产生的低温等离子体会促进还原反应,NO较SO2更容易发生电离且C-SO2反应所需的活化能高于C-NO,脱硝效率大于脱硫效率;弱放电下SO2的脱除主要靠微波协同活性焦发生化学吸附,SO2优先吸附的同时NO的还原反应减弱,脱硫效率大于脱硝效率。
(2)微波放电对活性焦的孔隙结构有优化作用。强放电下还原反应对孔的烧蚀大于造孔程度,使得活性焦的吸附量减小;弱放电下造孔效应使得活性焦的平均孔径减小,有助于吸附污染物。微波诱导活性焦放电可以加快含氧官能团的分解和C=C等官能团的生成,放电脱除后会生成含硫、氮官能团。
(3)随着反应入口SO2浓度的增大,放电强度和平均CO生成量略有减小,还原反应减弱,等离子体协同活性焦吸附反应增强,脱硝量减小,脱硫量增大;随着反应入口NO浓度的增大,放电强度和CO生成量明显增大,还原增强,脱硝量增大,脱硫量先增大后减小。
(4)随着入口SO2浓度的增大,生成的含硫官能团增多,含氮官能团减少,生成的含硫物质堵塞活性焦的孔隙结构,使得反应后样品的比表面积与微孔体积大大减小,在SO2浓度为1800mg/m3的工况下,活性焦的比表面积由143.301m2/g减小到44.368m2/g;随着入口NO浓度,生成的含硫官能团减小,含氮官能团先增大后减小,还原反应对孔的破坏程度增加,在NO浓度为500mg/m3的工况下,活性焦的比表面积由143.301m2/g减小到59.713m2/g。
(5)随着改性试剂NaOH/KOH浓度的增大,活性焦的含氧官能团减小,碱性官能团增多。改性活性焦的孔径分布向微孔方向偏移,微孔数量增多,有利于吸附污染物;微波放电能加速改性活性焦表面含氧官能团的分解和碱性基团的生成,同时对活性焦的孔隙结构有优化作用。微波放电协同碱性试剂改性活性焦使得活性焦的微观结构向着有利于脱硫脱硝的方向进行。与NaOH改性活性焦相比,KOH对活性焦的孔隙结构破坏更严重,表面碱性官能团增加更多。
(6)微波诱导NaOH/KOH改性活性焦放电同时脱硫脱硝试验中,随着NaOH/KOH浓度的增大,放电强度略有增大,平均CO生成量增加,等离子体密度增加,还原反应增强,同时碱性官能团的增多有助于等离子体协同活性焦脱硫脱硝。NaOH改性活性焦的工况中,浓度为12%的NaOH试剂改性的活性焦脱硫量和脱硝量最大,KOH改性活性焦的工况中,浓度为8%的KOH试剂改性的活性焦脱硫量最大,浓度为12%的KOH试剂改性的活性焦脱硝量最大。
(7)通过BET分析可知改性活性焦脱除后的比表面积和微孔体积较脱除前有一定的增大。FT-IR分析可得改性活性焦脱硫脱硝后含硫、氮官能团振动峰明显增强。