麦秆基活性炭对烟气多环芳烃的吸附特性及机理研究

来源 :中国计量大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shuaigekk1989
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多环芳烃(PAHs,Polycyclic aromatic hydrocarbons)是燃煤过程中危害性最大的一类有机污染物,亟待得到有效控制。其中,活性炭吸附技术被认为是最具可行性的燃煤过程烟气PAHs控制技术之一。然而,活性炭使用成本过高和吸附效率偏低等因素制约了该技术在工业上的应用。因此,本文制备了一种高效、经济的麦秆基活性炭(WS-AC,Wheat straw-based activated carbon),并在夹带流式烟气PAHs发生和吸附试验装置上进行了试验研究和机理分析。PAHs的分子尺寸较大,选择孔径分布较宽的活性炭更有利于吸附的进行。因此,本文以小麦秸秆为原料,采用水蒸气高温物理活化法制备了适用于PAHs吸附的WS-AC,并对其进行了孔隙结构表征。结果表明:小麦秸秆的挥发份含量较高,是活性炭制备的优质原料;水蒸气活化法制备WS-AC的最佳工艺条件为:活化温度900℃、活化时间60 min、水蒸气量40 ml/h;该条件下制备的WS-AC不仅含有丰富的微孔结构,还具有大量的中孔结构,其比表面积可达612.56 m2/g,接近现有商业活性炭。本文设计并搭建了一套夹带流式烟气PAHs发生和吸附试验装置,研究了WS-AC的孔隙结构、烟气条件及活性炭喷入量等关键因数对PAHs吸附的影响,探究了不同工况下WS-AC对PAHs的吸附机理。结果表明:该夹带流式吸附装置能较好地反映WS-AC对PAHs的喷射吸附特性,试验系统稳定且结果具有良好的可重复性;随着PAHs芳香环数的增加,WS-AC对其的吸附效率明显提高;WS-AC的孔隙结构是影响其对PAHs吸附性能的重要因素,总吸附效率随比表面积的增加而提高。同时,低环PAHs(二环、三环)和中环PAHs(四环)的吸附能力分别与微孔孔容和中孔孔容密切相关;此外,当烟气温度从90℃上升到150℃时,PAHs的总吸附率从51.0%下降到29.4%;同时,当烟气PAHs浓度升高或活性炭喷入量增加时,单位时间内PAHs分子与活性炭颗粒的有效碰撞增加了,从而提高了WS-AC对PAHs的吸附效率。随后,本文在固定床吸附试验装置上进行了PAHs吸附机理试验,并利用吸附动力学模型及吸附平衡方程对试验结果进行拟合,探究了PAHs吸附过程、吸附反应动力学及吸附平衡特性,获得了PAHs吸附动力学参数及吸附平衡常数。结果表明:准一阶动力学模型可用于描述PAHs在WS-AC表面上的吸附过程,与颗粒内扩散相比,外部膜传质过程对吸附的影响更为明显;Langmuir方程和Freundlich方程均能较好地描述PAHs在WS-AC表面上的吸附平衡特性,同时,Freundlich方程的系数1/n等于0.57,表明PAHs较易被WS-AC吸附。在此基础上,本文还建立了一个仅考虑外部膜传质和表面吸附过程的活性炭喷射吸附PAHs数学模型,并将模型预测结果与夹带流吸附试验结果进行了对比验证。结果表明:该模型能在一定程度上预测活性炭管道喷射吸附PAHs的效率;同时,模型各参数中,平衡常数K对吸附效率的影响远大于活性炭粒径dB与分子扩散系数D。该模型的建立对于活性炭喷射吸附技术在燃煤过程中的应用具有一定的指导作用。
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