浸漬活性炭吸附低濃度PH3動力學(xué)

王學(xué)謙，寧平

(昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明，650093)

黃磷尾氣、密閉電石爐尾氣等工業(yè)廢氣中富含CO，是優(yōu)質(zhì)的有機化工原料氣，但其中存在的主要雜質(zhì)磷、硫、氰限制了該氣體作為一碳化工原料氣的使用[1-2]。要利用其中的高濃度 CO作為原料氣生產(chǎn)甲醇、二甲醚等高附加值產(chǎn)品，就必須對尾氣中的 PH3等有害雜質(zhì)進行深度處理。密閉電石爐每生產(chǎn)1 t電石副產(chǎn)爐氣約400 m3，其中，CO的體積分數(shù)高達80%～85%。但現(xiàn)有大多數(shù)的電石生產(chǎn)企業(yè)都未處理和回收利用電石爐尾氣，而以送火炬燃燒方式排放，既浪費大量有用的資源和能源，又造成嚴重的環(huán)境空氣污染，像密閉電石爐尾氣這樣富含CO的寶貴資源，至今沒有得到資源回收利用，其限制因素就在于密閉電石爐尾氣由于有害雜質(zhì)PH3，H2S和HCN等的存在，這些有害雜質(zhì)尤其是尾氣中磷的存在，致使羰基合成催化劑中毒[3]。國家電石行業(yè)準入條件已規(guī)定密閉電石爐氣必須凈化綜合利用。目前，國內(nèi)外對低濃度PH3的凈化方法主要有吸附法和化學(xué)吸收法[4-5]?；瘜W(xué)吸收法以化學(xué)氧化吸收法為主，主要利用次磷酸鈉、高錳酸鉀、硫酸、過氧化氫等與PH3進行化學(xué)反應(yīng)，從而實現(xiàn)PH3的凈化，但化學(xué)氧化吸收法存在二次污染問題，氧化劑消耗量大且氧化劑難于回收[6-8]。吸附法中較典型的是浸漬活性炭催化氧化法，該法主要通過負載HCl和銅等活性組分[9-15]，使還原態(tài)的 PH3被催化氧化而后吸附在活性炭表面、達到深度去除的目的，這是一種有效可行的方法。本文作者以PH3為研究對象，研究了在微氧含量(≤1%)條件下PH3在浸漬活性炭上的吸附平衡和吸附動力學(xué)行為，試圖為研究工業(yè)氣氛中PH3的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及浸漬活性炭在典型工業(yè)廢氣處理中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗材料和儀器

活性炭采用河南長葛活性炭廠生產(chǎn)活性炭，活性炭的物性參數(shù)如表1所示，將10 g 活性炭均勻分散到50 mL含0.1 mol/L醋酸銅的溶液中，浸漬24 h[9-10]，然后進行真空過濾。活性炭在120 ℃下干燥12 h，再在350 ℃溫度下對浸漬活性炭焙燒6 h制得。

表1 活性炭的物性參數(shù)Table 1 Parameters of activated carbon

PH3的分析采用氣相色譜-火焰光度法測定。氣相色譜型號為：島津 GC-14C(帶火焰光度檢測器)，聚四氟乙烯填充柱。色譜工作條件為：N2和 H2流速為40 mL/min，色譜柱溫為50 ℃，檢測器溫度為200 ℃，檢出限為0.01 mg/m3。

1.2 實驗方法

實驗采用動態(tài)配氣的方法，鋼瓶中是實驗要求濃度的PH3與氮氣的混合氣體，和微量空氣在混合器中混合均勻后，以0.3 L/min的流速進入吸附床層單元，空氣在進入混合器之前用 CaCl2干燥管干燥，以除去空氣中的水分。吸附反應(yīng)在一個直徑為 9 mm、高為60 mm的不銹鋼圓柱狀反應(yīng)器中進行。

用氣相色譜儀測定進出口氣體PH3濃度，獲得各個溫度下不同進口濃度的穿透曲線；然后對穿透曲線按式(1)積分可得對應(yīng)的吸附容量[15]；以平衡質(zhì)量濃度ρe為橫坐標，飽和吸附容量qe為縱坐標作圖，即可得一定溫度下PH3的吸附等溫線；以時間t為橫坐標，t時刻對應(yīng)吸附量q為縱坐標作圖，便可得吸附速率曲線。

式中：X為吸附容量，g/g；Q為氣體流量，m3/min；t為吸附時間，min；ρ0為吸附柱入口質(zhì)量濃度，mg/m3；ρ為吸附柱出口質(zhì)量濃度，mg/m3；m為吸附劑質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

在本研究的前期工作中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)改性活性炭上PH3的脫除是催化氧化脫磷過程。PH3在活性炭上先被氧化成H3PO4和P4O10(P2O5)，然后吸附在活性炭上[10]。

在醋酸銅改性活性炭上，存在著含氧官能團和CuO在活性炭表面形成的絡(luò)合物 CuOx-AC等活性中心。CuOx-AC是醋酸銅在高溫煅燒后，銅鹽被還原與活性炭表面基團生成的絡(luò)合物。上述官能團對催化劑脫磷起重要作用。脫磷過程是個催化氧化過程，反應(yīng)產(chǎn)物中的氧不是直接來自氣相中的氧，而是來自金屬氧化物中的晶格氧，氣相中的氧只是用來補充催化劑在反應(yīng)中消耗的晶格氧。催化氧化脫磷過程反應(yīng)如下：

2.1 吸附等溫線

當氧體積分數(shù)為1%時，在20，40，60，80和95℃的PH3吸附等溫線[16-17]如圖1所示。

經(jīng)過PH3吸附等溫線用Langmuir和Freundlich吸附等溫方程進行對比描述，發(fā)現(xiàn)Freundlich吸附等溫方程具有較好的相關(guān)性，因此，選用Freundlich等溫方程進行擬合，見表2。

由表2的Freundlich吸附等溫方程可知：不同溫度下吸附等溫方程參數(shù) 1/n均在 0.1～0.5之間，說明PH3在浸漬活性炭上易被吸附。

圖1 PH3吸附等溫線Fig.1 PH3 adsorption isotherms

表2 Freundlich方程擬合PH3在浸漬活性炭上吸附等溫線方程Table 2 Freundlich adsorption equations for adsorption of PH3 on impregnated activated carbon

從吸附等溫線可以看出：在20～40 ℃范圍內(nèi)吸附容量隨溫度的升高而減少，在60～95 ℃范圍內(nèi)吸附容量隨溫度的升高而增加；PH3在低溫范圍(20～40 ℃)屬典型的物理吸附，在此溫度下，外界不能為化學(xué)反應(yīng)提供足夠的活化能，化學(xué)反應(yīng)無法有效進行，因此，主要是靠 PH3分子在吸附劑微孔表面上的吸著作用，分子吸著固定在吸附劑表面上后，勢能降低，對外界放出熱量，所以，這一過程是一個放熱過程，也就是低溫有利于吸附。PH3在高溫范圍(60～95 ℃)的吸附屬化學(xué)吸附，PH3在吸附劑上發(fā)生的熱化學(xué)反應(yīng)方程式按式(3)及(4)進行，PH3在60～95 ℃有利于吸附，這與吸附等溫線的變化規(guī)律相吻合。

2.2 吸附動力學(xué)

經(jīng)過對實驗數(shù)據(jù)的動力學(xué)試算比較，發(fā)現(xiàn)只有班厄姆吸附速率方程的擬合相關(guān)性最好，因此，確定選用班厄姆(Bangham)吸附速率方程對吸附速率曲線進行擬合。

班厄姆公式可寫成如下形式：

積分式為：

經(jīng)整理后得：

式中：q為吸附容量，g/g；qm為平衡吸附量，g/g；t為時間，h；k和z為常數(shù)。

利用ln{ln[qm/(qm-q)]}對ln t作圖可得一條直線，并可由直線的斜率和截距求出式中的常數(shù)。氧體積分數(shù)為1% PH3的吸附速率曲線如圖2所示。利用班厄姆公式對PH3在吸附劑上的吸附速率曲線進行擬合，作ln t關(guān)系曲線，PH3吸附的班厄姆擬合曲線見圖 3；由此求取反應(yīng)速率等參數(shù)，得到用于描述不同溫度下PH3在浸漬活性炭上吸附的班厄姆吸附動力學(xué)方程，見表3。

圖2 PH3在浸漬活性炭上的吸附速率曲線Fig.2 Adsorption rate curves of PH3 on impregnated activated carbon

圖3 PH3在浸漬活性炭上吸附的班厄姆吸附動力學(xué)曲線Fig.3 Bangham kinetic curves of PH3 adsorption on impregnated activated carbon

表3 不同溫度下的班厄姆吸附動力學(xué)方程Table 3 Bangham kinetic equation on different temperature

從表3可以看出：班厄姆吸附動力學(xué)方程對PH3在上浸漬活性炭上的吸附擬合相關(guān)性較好，可以得到理想的吸附速率方程。

3 結(jié)論

(1) 在氧體積分數(shù)為1%時微氧條件下，PH3在浸漬活性炭上的吸附可用 Freundlich等溫方程進行描述，F(xiàn)reundlich等溫方程具有較好的相關(guān)性。

(2) 溫度對 PH3在浸漬活性炭上的吸附等溫線的影響可分為2個階段：在20～40 ℃低溫范圍內(nèi)，以物理吸附為主，物理吸附是個放熱過程，溫度越低越有利于吸附；高溫范圍內(nèi)(60～95 ℃)是以化學(xué)吸附為主的反應(yīng)過程，溫度越高越有利于吸附。

(3) 在氧體積分數(shù)為1%時微氧條件下，PH3在浸漬活性炭上的吸附符合班厄姆吸附動力學(xué)方程。通過實驗獲得了用于描述不同溫度下PH3在浸漬活性炭上吸附的班厄姆吸附動力學(xué)方程。

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