氨水改性活性炭用于垃圾填埋气净化的试验研究

摘要

我国沼气和垃圾填埋气资源丰富，但是利用率较低，其原因主要在于以下两个方面:一方面由于沼气中二氧化碳的存在大大降低了沼气的热值，如果直接燃烧利用，使用范围有限;另一方面，因为沼气中S、H2S等物质的存在，焚烧会带来环境的污染问题。为了提升利用率，需对气体进行纯化处理。我国每年都会产生大量的城市垃圾，垃圾填埋气产量庞大，如何净化与利用垃圾填埋气也引起重视。垃圾填埋气的主要成分是甲烷、二氧化碳和氮气，近几年国内外对分离甲烷和二氧化碳的研究已经比较深入，但对垃圾填埋气中氮气的去除方法研究还不多。变压吸附(PSA)法用于气体分离因为于操作简洁、能耗低、无腐蚀和污染、工艺进程简单，已经初步实现工业化，但是一直存在产物气回收率不高和吸附剂选择性的情况。因此采用变压吸附法进行气体提纯的关键技术在于高效吸附剂的选择和研发。
　　活性炭具有较大的孔隙结构和巨大的比表面积，表面可附加特殊官能团，这些结构特点使活性炭就有很宽的应用领域，对活性炭的研究也成为人们关注的热点。本文采用氨水对活性炭进行改性研究，以模拟垃圾填埋气作为样品气，探讨改性温度、改性处理时间、氨水浓度（以质量分数表示）对活性炭的比表面积、表面化学结构和吸附量的影响，并对改性后活性炭对甲烷和氮气的吸附量和分离系数来研究改性前后活性炭的性能变化，得到以下结论:
　　(1)氨水浓度对活性炭表面结构的影响的特性研究:试验采用质量分数分别为25％、20％、15％、10％、5％的氨水在25℃条件下处理活性炭12h，并通过扫描电镜、比表面积分析仪、红外光谱来分析其改性前后活性炭比表面积、总孔容积、微孔容积、吸收峰和孔径的变化情况，得出以下结论:用质量分数为10％的氨水改性活性炭后，活性炭表面碱性基团增加，酸性集团含量减少，活性炭表面微孔数量增加，吸收量达到峰值，提高了对甲烷和氮气的吸附量。
　　(2)氨水浓度对活性炭吸附性能的影响研究:试验采用质量分数分别为5％、10％、15％、20％、25％的氨水常温下处理活性炭12h，重量法分析活性炭上甲烷的吸附量。得出如下结论:在氨水质量分数为10％时吸附量达到顶峰，峰值为1.067kg/mol，相比于原始活性炭的1.046kg/mol提升了2.49％，在此改性条件下甲烷和氮气的分离系数增加为5.10，相较于原始活性炭的5.01提升了1.796％。此外，经氨水改性后的活性炭对氮气和甲烷组成的混合气体的分离系数得到普遍的改善，其中，用质量分数为5％氨水改性后的活性炭对两种气体的分离系数达到最大值，最大值为5.36。相对于原始活性炭来说提高了6.98％。
　　(3)改性温度对活性炭吸附性能的影响研究:实验采用质量分数为5％的氨水溶液，在不同温度下(20、30、40、50、60℃)改性处理12h，分析活性炭对甲烷的吸附量得出以下结论:当改性温度为50℃时，甲烷的吸附量达到峰值，为1.053kg/mol，相比较于原始活性炭和改性温度为20℃时的吸附量分别提升了0.699％和1.15％。
　　(4)改性时间对活性炭吸附性能的影响研究:试验以质量分数为5％的氨水溶液在105kPa、25℃的条件下分别处理3h、6h、9h、12h、24h，进行改性处理，活性炭在摇床中与气体充分接触反应到容器中甲烷和氮气的浓度不在变化为止，测得剩余气体的浓度进而计算出改性后活性炭对甲烷和氮气的吸附量。得到以下结论:在改性时间为12h时，不论甲烷的吸附量还是二组分气体的分离系数均达到最佳值。甲烷的吸附量峰值为1.031kg/mol相比较于改性时间为3h时的0.989kg/mol提高了4.25％，分离系数为5.36相较于原始活性炭的5.01提高了6.98％。

目录

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致谢

摘要

1 引言

1．1 沼气及垃圾填埋气的特性与利用现状

1．2 吸附剂的选择

1．3 活性炭作为吸附剂的优缺点

1．3．1 优点

1．3．2 缺点

2．活性炭吸附剂的研究现状

2．1 活性炭

2．2．1 化学活化法

2．2．2 物理活化法

2．2．3 化学物理法

2．2．4 其他制备方法

2．3 活性炭改性现状

2．3．1 活性炭表面结构改性

2．3．2 活性炭外面性能的改变

2．4 弱碱改性活性炭的现状

2．5 活性炭改性的表征方法

2．5．1 物理性质的分析方法

2．5．2 化学性质的分析方法

2．6 活性炭改性方法的选择原理

2．6．1 吸附质的分类

2．6．2 改性方法的选择

3 课题研究意义及研究内容

3．1 课题研究目的及意义

3．2 课题研究的主要内容

3．2．1 电镜观察改性处理前后活性炭表面形貌的转变

3．2．2 氨水浓度对改性活性炭吸附量的影响

3．2．3 处理时间对改性活性炭吸附量的影响

3．2．4 处理温度对改性活性炭吸附量的影响

4．实验方法及设计

4．1 实验材料

4．2 仪器设备

4．3 主要测试方法

4．4 材料的预处理

4．5 实验设计

5．实验内容及数据分析

5．1 处理浓度对活性炭表面结构的影响

5．1．1 活性炭表面表征

5．1．2 活性炭表面的化学性质

5．1．3 红外解析表面基团的变化

5．1．4 氨水浓度对样品改性影响的试验结果分析

5．2 改性浓度对样品吸附影响

5．3 改性温度对样品吸附影响

5．4 改性时间对样品吸附影响

6．结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献