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。通過熱重分析(TGA)檢查硫浸漬的活性炭對氣相氯化汞(HgCl 2)的吸附能力。在入口HgCl 2濃度為100,300 和500μg/ m 3時，TGA的分析精度高達(dá)10 -6 g，吸附時間3小時，吸附溫度150℃，模擬城市固體廢物焚燒爐排放的煙氣。實驗結(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間的低成本材料生產(chǎn)。使用氮氣作為保護(hù)氣體以產(chǎn)生低成本材料熱解的厭氧或缺氧條件，氮氣流量為0.5L / 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通入氮氣加熱3小時。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優(yōu)于1：0.5,1：1,1：2和1：4。因此，在本研究中進(jìn)行的實驗使用以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，高硫含量增強了活性炭對氯化汞的吸附能力。微孔通常具有大部分HgCl2吸附的活性位點，而大孔和中孔作為運輸路線。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內(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相似。因此，硫浸漬活性炭的BET表面積對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，因為HgCl 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)動力的增加，活性炭對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間，并且收集在織物過濾器中的粉狀活性炭的停留時間約為1小時。因此，這項工作只研究了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濾器中時，1小時內(nèi)沒有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℃下對氯化汞的飽和吸附容量明顯高于650℃時的吸附容量，這是由于硫浸漬活性炭對氯化汞的化學(xué)吸附。另外，活性炭在400和650℃時的硫含量分別從2%顯著增加到10%和6%。