活性炭硫改性后吸附氯化汞

活性炭硫改性后吸附氯化汞，將活性炭放入氣態(tài)元素硫的環(huán)境中在400和650℃的溫度下浸漬，碳和硫的質(zhì)量比為1：3。硫擴(kuò)散到活性炭的微孔中的能力在400℃和650℃之間顯著不同，導(dǎo)致活性炭的硫含量明顯不同。通過(guò)熱重分析(TGA)檢查硫浸漬的活性炭對(duì)氣相氯化汞(HgCl 2)的吸附能力。在入口HgCl 2濃度為100,300 和500μg/ m 3時(shí)，TGA的分析精度高達(dá)10 -6 g，吸附時(shí)間3小時(shí)，吸附溫度150℃，模擬城市固體廢物焚燒爐排放的煙氣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硫改性可以稍微降低活性炭的比表面積。硫改性后的高表面積活性炭具有豐富的中孔和微孔，而低表面積活性炭具有豐富的大孔和中孔。硫改性后硫分子均勻分布在內(nèi)孔表面，活性炭的硫含量從2-2.5%增加到5-11%。硫磺改性后，HgCl 2的吸附能力高表面積硫化活性炭達(dá)到1.557毫克/克(比原始活性炭高22倍)。

在焚燒城市固體廢物期間，會(huì)產(chǎn)生一些有害物質(zhì)并將其排放到大氣環(huán)境中。廢物中的重金屬是最難去除的，特別是作為空氣污染物的汞由于其對(duì)環(huán)境和人類健康的危害而受到重視。元素汞及其衍生物(如HgCl2和HgO)具有相對(duì)較高的蒸氣壓，并且如果未被空氣污染控制裝置有效去除，它們很容易從固體廢物焚化爐排出。有三種典型的從固體廢物焚燒爐中去除氯化汞的控制技術(shù)：活性炭注入，硫化鈉注入和濕法洗滌。其中，由于HgCl2的高去除效率，活性炭注入已被廣泛使用。活性炭因其優(yōu)異的吸附性能而變得越來(lái)越有趣。目前，垃圾焚燒爐中使用的粉狀活性炭大部分是通過(guò)物理或化學(xué)活化由椰子殼，木材，煤炭和其他含碳原料生產(chǎn)的。但是低成本材料制成的活性炭是最好的選擇。

本研究中使用的活性炭包括三種表面積(高，中，低)，全部采用不同速度和活化時(shí)間的低成本材料生產(chǎn)。使用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體以產(chǎn)生低成本材料熱解的厭氧或缺氧條件，氮?dú)饬髁繛?.5L / min。然后放入高溫爐中，在設(shè)定溫度下進(jìn)行熱解，以制備具有不同特異性的活性炭表面區(qū)域。常規(guī)的活性炭硫改性方法使用硫化鈉(Na 2 S)水溶液浸漬。然而，這項(xiàng)研究使用汽相元素硫(S 0)的氣流在高溫下改性活性炭。將活性炭(約1g)造粒并與元素硫(約3g)均勻混合。然后將混合物在硫改性反應(yīng)器中在400或650℃下以100mL / min通入氮?dú)饧訜?小時(shí)。在400和650℃的溫度下，元素硫擴(kuò)散到活性炭的中孔和大孔中的能力顯著不同，導(dǎo)致活性炭的硫含量明顯不同。此外，一些研究報(bào)道碳與硫的質(zhì)量比為1：4。然而，上述研究表明，以1：3的碳-硫質(zhì)量比生產(chǎn)的硫浸漬活性炭的吸附容量?jī)?yōu)于1：0.5,1：1,1：2和1：4。因此，在本研究中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)使用以1：3的碳-硫質(zhì)量比生產(chǎn)的硫浸漬活性炭。

活性炭的孔結(jié)構(gòu)特征

硫浸漬活性炭由大量微孔組成，高硫含量增強(qiáng)了活性炭對(duì)氯化汞的吸附能力。微孔通常具有大部分HgCl2吸附的活性位點(diǎn)，而大孔和中孔作為運(yùn)輸路線。圖21顯示了分別放大5000,10,000和20,000倍的硫浸漬活性炭的ESEM圖像。如圖1所示，主要在活性炭表面發(fā)現(xiàn)大于500的大孔，中孔和微孔隱藏在活性炭?jī)?nèi)部。在硫浸漬之后，硫分子可以擴(kuò)散并沉積在活性炭的微孔上，并且可能堵塞過(guò)渡路徑。

圖1.硫浸漬活性炭的ESEM照片。

活性炭吸附氯化汞的結(jié)果

硫改性工藝有效地提高了HgCl 2的飽和吸附能力，高表面積活性炭達(dá)到1.557 mg / g(比原始活性炭高22倍); 即使是那些表面積低的產(chǎn)品也達(dá)到了0.950 mg / g(比原始活性炭高13倍以上)。此外，在相同的入口氯化汞濃度下，硫浸漬活性炭對(duì)氯化汞的飽和吸附容量隨著活性炭表面積的增加而增加，這與文獻(xiàn)中提到的物理吸附趨勢(shì)相似。因此，硫浸漬活性炭的BET表面積對(duì)HgCl 2的飽和吸附容量起著重要作用。

HgCl 2吸附曲線可分為兩個(gè)吸附階段。原生活性炭吸附HgCl 2的能力通常在10分鐘內(nèi)達(dá)到飽和狀態(tài)。因此，比較HgCl 2在<10和10-60分鐘的時(shí)間間隔內(nèi)的吸附速率是值得的。在第一吸附階段(10分鐘內(nèi))，由于HgCl 2分子可能由于物理吸附而擴(kuò)散到大孔和中孔中，因此無(wú)論HgCl 2的進(jìn)口濃度如何，HgCl 2的吸附速率都快速且穩(wěn)定地上升。在第二吸附階段(10分鐘后)，HgCl 2的吸附變慢，因?yàn)镠gCl 2分子逐漸擴(kuò)散到中孔和微孔中。此外，由于高表面積的活性炭具有大量的中孔和微孔，并且含有更多的硫，因此高表面積的硫浸漬活性炭對(duì)HgCl 2的吸附能力遠(yuǎn)高于中等或低表面積的HgCl 2的吸附能力在過(guò)渡孔隙中。HgCl 2濃度越低，HgCl 2分子擴(kuò)散到微孔中的量越少，不同活性炭之間的HgCl 2吸附量越低。因此，活性炭的BET表面積在低入口HgCl 2下稍微影響HgCl 2的吸附濃度。另外，由于分子擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力的增加，活性炭對(duì)HgCl 2的吸附容量隨著入口HgCl 2濃度的增加而增加。在相同的吸附溫度下，進(jìn)口HgCl 2濃度的增加提高了HgCl 2的擴(kuò)散速率，并縮短了飽和吸附時(shí)間，其允許的HgCl2分子容易進(jìn)入活性炭的微孔內(nèi)，因此，增加的HgCl的吸附能力2。

表1. 硫浸漬活性炭的氯化汞吸附速率。

粉末活性炭注入后織物過(guò)濾的控制技術(shù)通常用于去除固體廢物焚燒爐中的HgCl 2。粉末狀活性炭注入管道需要非常短的時(shí)間，并且收集在織物過(guò)濾器中的粉狀活性炭的停留時(shí)間約為1小時(shí)。因此，這項(xiàng)工作只研究了HgCl2的吸附速率用于高表面積的活性炭。表1表明，氯化汞的吸附率2由硫浸漬的活性炭在10分鐘內(nèi)(400S和650S)為在0.0089-0.0299微克/克·分鐘的范圍內(nèi)，和氯化汞的吸附率2隨著入口HgCl 2濃度的增加而增加。然而，由于低硫活性炭具有豐富的大孔和中孔，所以低硫活性炭對(duì)HgCl 2的吸附率高于高硫活性炭。此外，HgCl 2活性炭(400S和650S)在10〜60min內(nèi)的吸附率在0.0007〜0.0041μg/ g·min范圍內(nèi)，明顯低于第一階段。這一結(jié)果表明，當(dāng)粉狀活性炭留在織物過(guò)濾器中時(shí)，1小時(shí)內(nèi)沒(méi)有HgCl 2滲透，并且高硫活性炭具有最高的HgCl 2飽和吸附容量。結(jié)果表明，與原始活性炭相比，硫浸漬活性炭在60分鐘內(nèi)具有相對(duì)高的吸收率。因此，確認(rèn)了應(yīng)用硫浸漬活性炭從固體廢物焚化爐中除去氯化汞的可行性。

低成本材料制成的活性炭表現(xiàn)出與商用活性炭相似的表面積，并且活性炭的硫改性有效地增強(qiáng)了氯化汞的飽和吸附能力。具有高表面積的硫浸漬活性炭的最大吸附容量達(dá)到1.557 mg / g(比原活性炭高約22倍)。硫浸漬活性炭在400℃下對(duì)氯化汞的飽和吸附容量明顯高于650℃時(shí)的吸附容量，這是由于硫浸漬活性炭對(duì)氯化汞的化學(xué)吸附。另外，活性炭在400和650℃時(shí)的硫含量分別從2%顯著增加到10%和6%。