活性炭吸附床用于沼氣凈化

　　沼氣是一種可再生資源，可以通過(guò)有機(jī)廢物的厭氧消化獲得，例如污水、動(dòng)物或食物廢物、農(nóng)業(yè)殘留物和城市固體廢物的有機(jī)部分。沼氣中常見(jiàn)的污染物是硫化氫和硫化合物與硅氧烷，這些分子含有與氧和鹵素相連的硅。為了去除沼氣中的污染物，我們提出了一種新的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)評(píng)估活性炭對(duì)沼氣污染物的吸附能力。研究了使用活性炭床作為燃料電池工廠沼氣凈化單元的主要工藝，從厭氧消化氣體去除中去除污染物的吸附機(jī)制。這項(xiàng)工作的目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定活性炭的吸附容量與理化性質(zhì)之間的關(guān)系。所呈現(xiàn)作品的新穎性依賴(lài)于不同材料分析和嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)工作的整合。考慮到氣體速度對(duì)吸附容量的影響，進(jìn)行了定量分析。

　　活性炭特性的評(píng)估

　　分析了五種選定的微污染物吸附商業(yè)材料，以確定樣品在硫化氫和硅氧烷吸附能力方面的性能。分別為三種蒸汽活化的活性炭，一種載金屬氧化物的活性炭，最后是單獨(dú)的金屬氧化物。

　　采用掃描電子顯微鏡(SEM)結(jié)合EDS分析來(lái)表征吸附劑樣品。局部化學(xué)分析通過(guò)EDS(能量色散X射線光譜法)實(shí)現(xiàn)。定性分析是通過(guò)識(shí)別光譜中報(bào)告的線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而定量分析(確定元素組成百分比)是通過(guò)測(cè)量樣品中存在的每種元素的線強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行的。圖1顯示了一系列活性炭的SEM圖像，放大倍數(shù)遞增：5000、25,000、50,000、100,000倍。SEM圖像說(shuō)明了活性炭的多孔結(jié)構(gòu)，突出了樣品表面不連續(xù)性的存在。高孔隙率的存在對(duì)于限制鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)過(guò)濾沼氣的能量損失是必要的。正如我們之前的一些研究報(bào)道的那樣，SEM圖像與EDS分析相結(jié)合可用于突出硫在孔隙和金屬基催化位點(diǎn)內(nèi)的吸附和保留。

　　圖1：活性炭的SEM圖像。

　　吸附能力的評(píng)價(jià)

　　進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試以評(píng)估所選材料的吸附能力。測(cè)試是使用三個(gè)不同的充滿活性炭的反應(yīng)器進(jìn)行的，1、4mm微反應(yīng)器：第一組實(shí)驗(yàn)使用內(nèi)徑為4mm的微反應(yīng)器，填充磨碎的碳，過(guò)篩選擇粒徑為50μm-70μm的顆粒;用醫(yī)用紗布獲得碳保留。反應(yīng)器的封閉是用帶有硫惰性涂層的鋼制成的螺母和墊圈實(shí)現(xiàn)的:2、大型反應(yīng)器：最后一組實(shí)驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)室自建的反應(yīng)器，內(nèi)徑25mm，填充活性炭。3、向反應(yīng)器供給來(lái)自鋼瓶的模擬沼氣：沼氣成分是根據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的測(cè)量的平均值選擇的：62.5%vol甲烷和37.5%vol二氧化碳。使用固定污染物濃度(通常在100和1000ppmv之間)的甲烷鋼瓶將硫化氫送入系統(tǒng)。

　　用于檢測(cè)硫化氫的傳感器是一種電化學(xué)裝置，可以測(cè)量0至200ppmv測(cè)量誤差在滿刻度下從0線性增加到200ppmv。為了找到百分比誤差，首先，我們對(duì)所有測(cè)量值取平均值。然后，我們發(fā)現(xiàn)了我們的平均值和真實(shí)值之間的差異。傳感器的流量限制在500mL/min和1000mL/min之間，因此所有實(shí)驗(yàn)都是在考慮該流量范圍的情況下進(jìn)行的。這些實(shí)驗(yàn)的目的是使用圖2中所示的實(shí)驗(yàn)裝置計(jì)算被碳過(guò)濾器吸附的污染物的數(shù)量。實(shí)驗(yàn)允許確定吸附曲線，這是固定床出口處污染物濃度隨時(shí)間的演變。該濃度將按照一定趨勢(shì)從零(當(dāng)過(guò)濾器完全去除污染物時(shí))上升到入口污染物值(飽和，當(dāng)吸附劑不再過(guò)濾任何污染物并且出口濃度等于入口濃度時(shí))。吸附曲線下方的面積是碳材料吸附污染物的量。

　　圖2：實(shí)驗(yàn)裝置的布局。

　　突破吸附量：該值是指濾后污染物濃度達(dá)到C/C0固定閾值(文獻(xiàn)中通常為1%)的時(shí)刻，其中C(mol/m3)為實(shí)際的H2氣相中的S濃度和C0(mol/m3)是H2S入口濃度。抄送0比率是基本的，當(dāng)清潔系統(tǒng)旨在保護(hù)清潔部分下游的設(shè)備時(shí)(例如，燃料電池系統(tǒng)可能會(huì)被非常低水平的污染物嚴(yán)重?fù)p壞)，應(yīng)該準(zhǔn)確設(shè)置。吸附性能受飽和曲線剖面斜率的影響。如果坡度較淺，即使理想的線性前沿遠(yuǎn)離床出口，也會(huì)更早達(dá)到飽和。發(fā)生吸附的傳質(zhì)區(qū)(MTZ)的長(zhǎng)度決定了突破時(shí)間。

　　飽和吸附量：該值與吸附污染物進(jìn)入過(guò)濾器的最大值有關(guān);它是在床出口處的污染物量與入口值相同(C=C0)時(shí)評(píng)估的。如果系統(tǒng)中有一系列可用的床，此值可能很有用。在這種情況下，第一個(gè)清洗容器甚至可以在突破后運(yùn)行直到飽和(以充分利用材料)，因?yàn)槠渌�串�?lián)床可用。

　　活性炭吸附容量與硫化氫的相關(guān)性

　　通過(guò)分析EDS分析發(fā)現(xiàn)的金屬氧化物的類(lèi)型，研究了硫化氫吸附能力與活性炭表面化學(xué)組成之間的關(guān)系。在這種情況下，吸附稱(chēng)為“化學(xué)吸附”，其中涉及的分子間力導(dǎo)致化學(xué)鍵的形成。硫化氫與樣品表面的金屬氧化物發(fā)生的反應(yīng)是酸堿型的。從上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試中獲得了兩組數(shù)據(jù)。第一組與微反應(yīng)器內(nèi)的活性炭粉末有關(guān)，另一組涉及大型反應(yīng)器內(nèi)接收的活性炭。從收到的活性炭中獲得的吸附能力被認(rèn)為更可靠，因?yàn)榛钚蕴款w粒尺寸未隨表面特征改變。實(shí)驗(yàn)在環(huán)境溫度下進(jìn)行，流速等于750mL/min，硫化氫濃度為20ppmv，沼氣流速為0.995m/s。第一個(gè)關(guān)系是指含有鉀的活性炭和普通活性炭。圖3顯示鉀的存在對(duì)硫化氫吸附的影響。該圖顯示，含鉀活性炭其硫化氫吸附容量是普通活性炭的五倍多。

　　圖3：活性炭中氧化鉀含量對(duì)硫化氫吸附的影響。

　　活性炭吸附床用于沼氣凈化，重點(diǎn)介紹了描述活性炭吸附劑材料去除沼氣微污染物性能(吸附能力)的物理現(xiàn)象。在所有污染物中，選擇硫化氫和硅氧烷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，因?yàn)樗鼈冊(cè)谡託庵械臐舛容^高并且對(duì)燃料電池具有顯著的不利影響。活性炭的表面化學(xué)組成影響硫化氫吸附能力。含鉀活性炭和含鈣活性炭主要受其化學(xué)成分中氧化鈣和氧化鉀的影響。氧化金屬活性炭受其結(jié)構(gòu)中氧化銅含量的強(qiáng)烈影響。所有分析樣品的硫化氫吸附能力均受鐵的存在影響，活性炭的結(jié)構(gòu)特性影響了硅氧烷的吸附。考慮到氣體速度對(duì)吸附容量的影響，進(jìn)行了定量分析。增加沼氣速度(+45%和+89%)與硫化氫的吸附能力(-27%和-44%)存在間接相關(guān)性。獲得和總結(jié)的結(jié)果被用于制定在大型工廠中去除痕量化合物的策略，例如，用于水凈化。所選擇的策略是串聯(lián)插入不同的床以去除特定化合物，例如硫化合物，然后是硅化合物。

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