高性能甘蔗基生物炭制備及其對H2S和NH3吸附

劉明輝,唐子君,饒梓凌,方 平,胡春華

(1.南昌大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330031;2.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所,廣東省水與大氣污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510655;3.中國計(jì)量大學(xué),質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江 杭州 310000)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展,大氣污染問題愈發(fā)嚴(yán)重,硫化氫(H2S)和氨氣(NH3)是2種常見的惡臭異味氣體。NH3是一種典型的有毒有害堿性氣態(tài)污染物,主要來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、畜禽養(yǎng)殖、化肥制造以及橡膠加工等工農(nóng)業(yè)排放,對人體健康和生態(tài)環(huán)境都有極大的危害。NH3與大氣中的SO2和NOx結(jié)合經(jīng)過一系列物化作用形成光化學(xué)煙霧,因此大量NH3的排放是產(chǎn)生霧霾和光化學(xué)煙霧的重要原因之一[1-2]。H2S是一種有毒且伴有臭雞蛋味道的酸性氣態(tài)污染物,主要來源于食品工業(yè)廢氣、含硫天然氣和煤氣、污水處理、垃圾填埋以及畜禽糞便堆肥過程中排放氣體等[3-4]。生產(chǎn)過程中H2S的排放不僅對人體身心健康造成嚴(yán)重威脅,而且在工業(yè)生產(chǎn)中容易對儲氣設(shè)備以及輸送管路造成腐蝕,嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量[5]。NH3和H2S的氣味閾值非常低,其中NH3的氣味閾值為47×10-6,H2S的氣味閾值為0.000 5×10-6,所以即使?jié)舛确浅５?也易產(chǎn)生非常重的異味,同時即使低濃度的NH3和H2S也可刺激呼吸道、眼睛和皮膚,引發(fā)頭暈、呼吸困難,甚至引起人體慢性中毒,危害生命健康[6-7]。因此,惡臭異味治理的關(guān)鍵之一在于如何高效凈化和深度脫除氣體中的NH3和H2S。

目前,吸附法常用于低濃度NH3和H2S氣體的去除。吸附法具有去除效率高、操作簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[6,8]。吸附材料主要有炭基材料、沸石、金屬有機(jī)骨架以及多孔有機(jī)聚合物等,它們吸附性能較好,但沸石和金屬有機(jī)骨架及多孔有機(jī)聚合物在改性過程中需要較高成本,阻礙了大規(guī)模的推廣應(yīng)用,在這些吸附材料中由于炭基材料具有比表面積大、孔隙度好、吸附性能強(qiáng)、成本低和物化性質(zhì)穩(wěn)定等顯著優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[9-12]。目前常用于制備炭基材料的生物質(zhì)原材料主要是農(nóng)業(yè)秸稈、木屑、果殼,甘蔗渣等,而甘蔗在我國南方地區(qū)大面積種植,甘蔗渣是制糖業(yè)的副產(chǎn)品,每年產(chǎn)生的甘蔗渣超2000萬噸[13]。因此采用甘蔗渣制備生物炭不僅可以避免資源的浪費(fèi),還可以進(jìn)一步提升制糖產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用,經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。例如,Guo等[14]以甘蔗渣為原料,采用不同的活化劑制備多孔活性炭,制得的活性炭具有較高的比表面積(1.149×103m2·g-1)和較大的孔體積(1.73 cm3·g-1),同時對CO2的吸附量高達(dá)5.50 mmol·g-1。此外,也有許多研究人員經(jīng)常采用各種改性制備方法改善生物炭的孔結(jié)構(gòu),增加其活性位點(diǎn),作為吸附材料應(yīng)用于氣相吸附和廢水處理中以提升其吸附效果[15-18]。

然而,有關(guān)甘蔗基生物炭對H2S和NH3吸附去除的研究鮮有報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)研究了以甘蔗渣為原料,通過不同改性方法制備生物炭,采用SEM、氮?dú)馕?脫附、元素分析測試等對生物炭樣品進(jìn)行了表征。在相同條件下探究不同改性甘蔗基生物炭對H2S和NH3吸附凈化效果,篩選出吸附效果最佳的生物炭,進(jìn)而研究不同吸附溫度、不同進(jìn)氣濃度以及不同進(jìn)氣流量對穿透時間和吸附容量的影響,找出最佳改性方法和吸附條件,為甘蔗基生物炭應(yīng)用于H2S和NH3廢氣污染治理提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要試劑和儀器

甘蔗基生物炭,實(shí)驗(yàn)室自制;N2(99.99%)、NH3(500×10-6)和H2S(500×10-6),混合平衡氣為N2;磷酸、氫氧化鉀、碘、碘化鉀、硫代硫酸鈉、可溶性淀粉、濃鹽酸、碘酸鉀、無水碳酸鈉,均為分析純。

復(fù)合氣體檢測儀(MP400S)、電熱恒溫干燥箱(101-1AS)、數(shù)顯調(diào)速多用振蕩器(HY-2A)、管式加熱爐(FURNACE1200℃)、物理吸附分析儀(ASAP-2020)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(S4800)、德國elementar元素分析儀(vario El cube)。

1.2 甘蔗基生物炭制備

1.2.1 直接炭化法

甘蔗渣烘干后粉碎備用。分別稱取30 g甘蔗渣原料于石英舟中,放入管式電阻爐,在純氮?dú)獗Ｗo(hù)下以5 ℃·min-1的速率升溫至設(shè)定溫度500 ℃,并保持特定時間2 h。炭化結(jié)束后自然冷卻至室溫,收集生物炭,研磨備用。

1.2.2 CO2活化法

稱取以上10 g直接炭化甘蔗基生物炭于石英舟中,放入管式電阻爐,在純CO2氣體保護(hù)下以5 ℃·min-1的速率升溫至設(shè)定溫度800 ℃,并保持特定時間2 h?；罨Y(jié)束后自然冷卻至室溫,收集生物炭,研磨備用。

1.2.3 H3PO4活化法

稱取10 g粉碎后的甘蔗渣浸入含有30 wt%H3PO4的水溶液中12 h,然后將生物質(zhì)原料烘干后置于石英舟中放入管式電阻爐,在純氮?dú)獗Ｗo(hù)下以5 ℃·min-1的速率升溫至設(shè)定溫度500 ℃,并保持特定時間2 h?；罨Y(jié)束后自然冷卻至室溫,收集生物炭,研磨備用。

最后將以上3種生物炭分別加入60 ℃去離子水?dāng)嚢? h,充分洗滌。H3PO4活化甘蔗基生物炭在洗滌過程中添加適量的5 wt%KOH溶液淋洗,最后用去離子水沖洗抽濾至PH為7左右。3種生物炭洗凈后放置于105 ℃烘箱內(nèi),干燥12 h后稱重保存以待表征。

1.3 甘蔗基生物炭表征

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察甘蔗基生物炭材料的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)。甘蔗基生物炭產(chǎn)率通過熱解后生物炭的質(zhì)量m2與熱解前稱取生物質(zhì)原料質(zhì)量m1的比值計(jì)算可得。采用元素分析儀(德國elementar公司vario El cube)測定甘蔗基生物炭的C、H、O、N、S含量。

甘蔗基生物炭對碘的吸附實(shí)驗(yàn)參照GB/T 12496.8-2015《木質(zhì)活性炭試驗(yàn)方法 碘吸附值的測定》。生物炭的孔結(jié)構(gòu)由美國麥克儀器公司的ASAP-2020自動物理吸附分析儀測定。以氮?dú)鉃槲絼?在77 K下測定了生物炭對氮?dú)獾奈摳降葴鼐€,并以此計(jì)算生物炭的比表面積和孔結(jié)構(gòu)尺寸。測試前,稱取0.1 g樣品在180°C溫度下脫氣6 h,采用BJH(Barrett-Joyner-halenda)孔徑分布和BET(Brunauer-Emmett-Teller)計(jì)算方法,在解吸模型上測量生物炭的比表面積。

1.4 吸附實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用固定床吸附裝置吸附去除H2S和NH3,裝置如圖1所示。

1.H2S;2.NH3;3.N2;4、5、6.流量計(jì);7.氣體混合器;8.加熱爐;9.石英玻璃管;10.復(fù)合氣體檢測儀;11.廢氣集氣罩。

固定床由外徑為14 mm,內(nèi)徑為12 mm,長為40 mm的石英玻璃管制成,實(shí)驗(yàn)時在石英玻璃管中裝入0.5 g制備好的甘蔗渣基生物炭,生物炭上下部分裝填石英棉。吸附實(shí)驗(yàn)開始時以1 000 mL·min-1的氣速分別通入含有NH3和H2S氣體的實(shí)驗(yàn)氣體,氣體經(jīng)過石英玻璃管后進(jìn)入復(fù)合氣體檢測儀對H2S和NH3進(jìn)行檢測,每隔五分鐘記錄H2S和NH3的出口濃度,并準(zhǔn)確記錄穿透濃度和動態(tài)平衡吸附濃度的時間點(diǎn),凈化后的尾氣通入實(shí)驗(yàn)室廢氣集氣罩。依據(jù)檢測結(jié)果計(jì)算穿透吸附容量、動態(tài)平衡吸附容量。

當(dāng)H2S和NH3的出口濃度為初始進(jìn)氣口濃度的10%時視為穿透,當(dāng)出口濃度與初始進(jìn)氣口濃度相同時則達(dá)到動態(tài)平衡吸附,穿透吸附容量和動態(tài)平衡吸附容量計(jì)算公式如式(1)所示:

(1)

式中,Q為生物炭的穿透容量/動態(tài)平衡吸附容量,mg·g-1;q為進(jìn)口氣流量,mL·min-1;M為H2S(NH3)的摩爾質(zhì)量,g·mol-1;W為吸附劑的填充質(zhì)量,g;Vm為在某溫度和氣壓下的氣體摩爾體積,L·mol-1;C0為進(jìn)口H2S(NH3)濃度,×10-6;t為穿透(或動態(tài)平衡)時間,min;Ct為出口H2S(NH3)濃度,×10-6。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物炭表征

2.1.1 形貌、炭產(chǎn)率及元素分析

圖2為甘蔗基生物炭的掃描電鏡照片,圖2(a)和(b)分別為直接炭化和CO2活化甘蔗基生物炭,形貌上沒有明顯的差別,均未見到規(guī)則的孔結(jié)構(gòu)。由圖2(c)可見,H3PO4活化甘蔗基生物炭其孔結(jié)構(gòu)豐富,可以看見規(guī)整的孔結(jié)構(gòu)。圖2(c)中孔結(jié)構(gòu)的存在可能是由于H3PO4活化過程中,H3PO4與碳表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),大量的碳被腐蝕、消耗而產(chǎn)生較多的孔隙,同時也表明甘蔗渣是制備多孔材料的合適原料[19]。表1為甘蔗基生物炭元素分析表,由表1可知3種炭化條件所得甘蔗基生物炭均含有多種以碳為主的元素,H3PO4活化甘蔗基生物炭碳百分含量與直接炭化和CO2活化甘蔗基生物炭所含碳百分含量相比低約20%,可以進(jìn)一步證實(shí)H3PO4與碳表面存在化學(xué)反應(yīng)并且消耗了一部分碳元素。從表1也可以得知CO2活化甘蔗基生物炭產(chǎn)率最低為23.11%,H3PO4活化甘蔗基生物炭產(chǎn)率最高為33.78%,這可能是H3PO4活化甘蔗基生物炭熱穩(wěn)定性較強(qiáng),無機(jī)組分損失較少。

圖2 甘蔗基生物炭的SEM圖Fig.2 The SEM of sugarcane-based biochar

表1 甘蔗基生物炭元素分析Tab.1 Elemental analysis of sugarcane-based biochar

2.1.1 比表面積及孔徑分析

通過N2吸附-脫附實(shí)驗(yàn)得到甘蔗基生物炭的N2吸附-脫附曲線及其相應(yīng)的孔徑分布圖,如圖3所示。由BET計(jì)算法得到的比表面積,BJH計(jì)算法得到的各樣品總孔容和平均孔徑如表2所示。根據(jù)IUPAC分類[20],由圖3(a)可以知3種生物炭的N2吸附-脫附等溫線均為IV型吸附-脫附曲線,CO2活化和H3PO4活化的甘蔗基生物炭樣品產(chǎn)生了明顯的回滯環(huán),說明它們存在介孔結(jié)構(gòu);而直接炭化的甘蔗基生物炭回滯環(huán)較小,說明存在少量的介孔結(jié)構(gòu)。所有的樣品在相對壓力大于0.4之后產(chǎn)生了H3、H4型回滯環(huán),這說明沒有明顯的吸附飽和平臺,孔結(jié)構(gòu)不是很完整。生物炭的孔徑分布由圖3(b)可以看出,H3PO4活化的甘蔗基生物炭介孔數(shù)量較為豐富,介孔孔徑主要分布在2～6 nm,CO2活化的甘蔗基生物炭有少量的微孔和介孔,孔徑主要分布在1～3 nm,而直接炭化的甘蔗基生物炭形成的孔結(jié)構(gòu)數(shù)量較少。表2為甘蔗基生物炭的比表面積和孔徑測試結(jié)果,由表2可知,甘蔗基生物炭的比表面積和總孔容越大,對碘的吸附量也越大。其中H3PO4活化的甘蔗基生物炭比表面積和總孔容最大,達(dá)到1 181.038 m2·g-1和1.174 cm3·g-1,對碘的吸附量也遠(yuǎn)大于直接炭化和CO2活化的生物炭,達(dá)到733.98 mg·g-1,這是因?yàn)镠3PO4活化改善了甘蔗渣生物炭的孔結(jié)構(gòu)和分散性,提供了更豐富的孔隙及其吸附位點(diǎn)。

2.2 甘蔗基生物炭對H2S和NH3吸附性能

在保證不同甘蔗基生物炭吸附工藝條件相同情況下,設(shè)置吸附溫度為25 ℃,分別通入NH3和H2S,

relative pressure/(p/p°)

Pore width/nm

表2 甘蔗基生物炭比表面積和孔徑測試結(jié)果Tab.2 Test results of specific surface area and pore size of sugarcane-based biochar

進(jìn)氣濃度為30×10-6,進(jìn)氣流量為1 000 mL·min-1,稱取甘蔗基生物炭0.5 g,考察不同甘蔗基生物炭對NH3和H2S的吸附性能。甘蔗基生物炭的H2S和NH3吸穿透曲線如圖4所示,由穿透曲線所計(jì)算的穿透容量和動態(tài)平衡吸附容量列于表3中。由圖4(a)(b)可知,隨著吸附時間的增長,生物炭的吸附性能逐漸下降,H2S和NH3的出口濃度也逐漸達(dá)到穿透以及吸附飽和狀態(tài),最終達(dá)到動態(tài)平衡。H3PO4活化甘蔗基生物炭的H2S和NH3穿透時間以及動態(tài)平衡吸附時間都比直接炭化和CO2活化甘蔗基生物炭所需時間更長,尤其是對NH3的穿透時間和動態(tài)平衡吸附時間分別長達(dá)67、195 min,說明H3PO4活化甘蔗基生物炭對H2S和NH3的吸附性能優(yōu)于直接炭化和CO2活化甘蔗基生物炭。根據(jù)甘蔗基生物炭的表征結(jié)果推測,H3PO4活化甘蔗基生物炭具有較大的比表面積和總孔容應(yīng)該是其吸附性能較好的重要原因。較大的比表面積和總孔容可以為H2S和NH3提供更多的活性吸附位點(diǎn)和儲存空間,有利于提高甘蔗基生物炭對H2S和NH3的去除效果。

由表3可知,H3PO4活化甘蔗基生物炭對H2S和NH3的穿透容量和動態(tài)平衡吸附容量最大,對H2S的穿透容量和吸附容量分別為2.82、5.96 mg·g-1,對NH3的穿透容量和吸附容量分別達(dá)到3.05、5.11 mg·g-1。另外,除了生物炭比表面積和總孔容的大小是影響吸附效果的重要因素外,甘蔗基生物炭的表面活性物質(zhì)可能也會影響其吸附性能,由于NH3是堿性氣體,通過元素分析表1可知H3PO4活化甘蔗基生物炭的氫元素百分含量較高,推測其表面酸性物質(zhì)含量相對較高,有助于對NH3的吸附去除[21]。此外,為了進(jìn)一步探究吸附工藝(吸附溫度、進(jìn)氣濃度、進(jìn)氣流量)對甘蔗基生物炭吸附H2S和NH3性能的影響,挑選出H3PO4活化甘蔗基生物炭為后期用于固定床吸附裝置進(jìn)行測試,通過對后期不同吸附工藝條件的考察,為制備高性能甘蔗基生物炭和進(jìn)一步優(yōu)化吸附工藝提供理論支持。

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表3 甘蔗基生物炭對NH3和H2S吸附容量Tab.3 NH3and H2S adsorption capacity of sugarcane-based biochar

2.3 吸附溫度的影響

稱取0.5 gH3PO4活化甘蔗基生物炭放入固定吸附床石英玻璃管中,分別通入NH3和H2S,進(jìn)氣濃度為30×10-6,進(jìn)氣流量為1 000 mL·min-1,考察吸附溫度(25 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃)對甘蔗基生物炭吸附H2S和NH3的影響,結(jié)果如圖5所示。吸附溫度在氣固相吸附反應(yīng)過程中是重要的考察因素。由圖5(a)可知,甘蔗基生物炭對H2S的吸附性能隨著溫度的上升呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的趨勢,吸附溫度為25 ℃時,H2S穿透時間為31 min,穿透容量為2.82 mg·g-1。當(dāng)吸附溫度為40℃時,甘蔗基生物炭對H2S的吸附時間最長,表現(xiàn)的吸附性能最佳,穿透時間和動態(tài)平衡吸附時間分別為39、166 min,穿透容量和動態(tài)平衡吸附容量分別為3.55、7.03 mg·g-1。隨著吸附溫度逐漸升高,吸附時間逐漸變短,在60℃時吸附時間最短,穿透時間為27 min,由此可見60℃時甘蔗基生物炭對H2S的吸附性能最低。Han等[22]研究表明隨著吸附溫度的升高H2S穿透時間縮短,低溫更有利于H2S的去除。由圖5(b)可知,隨著溫度的上升,甘蔗基生物炭對NH3的吸附時間變短,吸附性能降低。吸附溫度為25℃時,NH3穿透時間和動態(tài)平衡吸附時間分別為67、195 min,穿透容量和動態(tài)平衡吸附容量分別為3.05、5.11 mg·g-1。當(dāng)吸附溫度為60℃時,甘蔗基生物炭對NH3的吸附時間最短,表現(xiàn)的吸附性能最差,穿透時間和動態(tài)平衡吸附時間分別為45、168 min,穿透容量和動態(tài)平衡吸附容量分別為2.05、4.03 mg·g-1。

由圖5(a)(b)可知,吸附溫度的增加,甘蔗基生物炭對H2S和NH3的吸附性能有所下降。在整個吸附過程中,物理吸附可能占主導(dǎo)作用,但隨著溫度升高,將不利于物理吸附的進(jìn)行,吸附質(zhì)分子在甘蔗基生物炭表面吸附受到障礙,穿透時間和動態(tài)平衡吸附時間減少;另一方面,在吸附過程中溫度升高可能受到熱力學(xué)的控制,導(dǎo)致生物炭對H2S和NH3的吸附產(chǎn)生抑制作用[22-23]。因此,吸附溫度為40 ℃和25 ℃分別為H2S和NH3的最佳工藝條件,在較高的溫度下,甘蔗基生物炭不能吸附更多的H2S和NH3。

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2.4 進(jìn)氣濃度的影響

稱取0.5 gH3PO4活化甘蔗基生物炭放入固定吸附床石英玻璃管中,設(shè)置吸附溫度為25℃,分別通入NH3和H2S,進(jìn)氣流量為1 000 mL·min-1,考察不同進(jìn)氣濃度(30×10-6、40×10-6、50×10-6、60×10-6)對甘蔗基生物炭吸附H2S和NH3的影響,結(jié)果如圖6所示。進(jìn)氣濃度在氣固相吸附反應(yīng)中也是重要考察因素,因?yàn)闀淖兩锾康膫髻|(zhì)速率和吸附反應(yīng)動力學(xué),進(jìn)而影響生物炭對H2S和NH3的吸附性能。由圖6(a)(b)可以看出,隨著進(jìn)氣濃度的增加,甘蔗基生物炭對H2S和NH3的穿透時間和動態(tài)平衡吸附時間都逐漸縮短。Seo等[24]采用稻殼生物炭吸附H2S,研究結(jié)果也表明提高進(jìn)氣濃度明顯縮短了穿透時間。由圖6(a)可知,當(dāng)H2S的進(jìn)氣濃度為60×10-6時,H2S穿透時間和動態(tài)平衡吸附時間分別為17、89 min,通過計(jì)算可知,其H2S穿透容量和動態(tài)平衡吸附容量分別為3.10、6.28 mg·g-1。由圖6(b)可知,當(dāng)NH3的進(jìn)氣濃度為60×10-6時,NH3穿透時間和動態(tài)平衡吸附時間分別為36、120 min,通過計(jì)算可知,其NH3穿透容量和動態(tài)平衡吸附容量分別為3.28、5.30 mg·g-1。與表3對比可知,在其它吸附條件相同情況下,當(dāng)進(jìn)氣濃度為從30×10-6增加至60×10-6時,甘蔗基生物炭對H2S和NH3的吸附容量有所增加。另外,從穿透曲線圖可以看出,當(dāng)進(jìn)氣濃度逐漸增加,H2S和NH3的穿透曲線逐漸變陡,由此推測進(jìn)氣濃度的增加提升了甘蔗基生物炭與H2S和NH3的傳質(zhì)速率,從而達(dá)到快速平衡,顯著縮短了穿透時間和動態(tài)平衡吸附時間[25]。其次,進(jìn)氣濃度增加相當(dāng)于在單位時間內(nèi)增加了吸附質(zhì)分子的數(shù)量,降低了甘蔗渣生物炭表面吸附位點(diǎn)與吸附質(zhì)分子的數(shù)量比,不利于對H2S和NH3的吸附去除?？偠灾?增大進(jìn)氣濃度顯著縮短了甘蔗基生物炭對H2S和NH3的穿透時間和動態(tài)平衡吸附時間,但吸附量有所增加,對H2S和NH3的吸附性能都有積極影響。

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2.5 進(jìn)氣流量的影響

稱取0.5 gH3PO4活化甘蔗基生物炭放入固定吸附床石英玻璃管中,在吸附溫度為25 ℃,分別通入NH3和H2S,進(jìn)氣濃度為30×10-6不變的條件下,考察不同進(jìn)氣流量(1 000、1 200、1 400、1 600 mL·min-1)對甘蔗基生物炭吸附H2S和NH3的影響,結(jié)果如圖7所示。進(jìn)氣流量是氣固相吸附反應(yīng)中的重要考察因素,進(jìn)氣流量的大小也是決定吸附質(zhì)分子在吸附劑表面停留時間的長短。由圖7(a)(b)可以看出,隨著進(jìn)氣流量的增加,甘蔗基生物炭對H2S和NH3的穿透時間和動態(tài)平衡吸附時間都明顯縮短。當(dāng)H2S和NH3的進(jìn)氣流量為1 600 mL·min-1時,穿透時間和動態(tài)平衡吸附時間最短,H2S的穿透時間和動態(tài)平衡吸附時間分別為6、49 min,通過計(jì)算可知,其H2S穿透容量和動態(tài)平衡吸附容量分別為0.87、2.48 mg·g-1。NH3穿透時間和動態(tài)平衡吸附時間分別為11、81 min,通過計(jì)算可知,其NH3穿透容量和動態(tài)平衡吸附容量分別為0.80、1.98 mg·g-1。Vohra在實(shí)驗(yàn)中采用棗核基活性炭研究氣體流速對NH3吸附的影響,NH3流速的逐漸增加也會導(dǎo)致穿透時間的逐漸減少[26]。在其它吸附條件相同情況下,結(jié)合表3可知,當(dāng)進(jìn)氣濃度為從1 000增加至1 600 mL·min-1時,甘蔗基生物炭對H2S和NH3的吸附容量有所減少。從圖7穿透曲線可以看出,當(dāng)H2S和NH3進(jìn)氣流量為1 000 mL·min-1時,穿透曲線比較平緩,隨著進(jìn)氣流量逐漸增大,其穿透曲線變陡,說明增大進(jìn)氣流量提高了傳質(zhì)驅(qū)動力,以至于達(dá)到快速平衡,減短了吸附時間[27]。另一方面,進(jìn)氣流量增大,H2S和NH3分子與甘蔗基生物炭表面的吸附位點(diǎn)數(shù)量比降低,同時也縮短了停留時間,不利于甘蔗基生物炭對H2S和NH3的吸附。因此,增大進(jìn)氣流量,縮短了H2S和NH3的穿透時間和動態(tài)平衡吸附時間,同時也減少了吸附量,適當(dāng)降低進(jìn)氣流量將有利于提升甘蔗基生物炭對H2S和NH3的吸附去除。

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3 結(jié)論

以甘蔗渣為原料,通過不同制備方法制備出甘蔗基生物炭,并對其結(jié)構(gòu)性能及H2S和NH3吸附性能進(jìn)行研究,結(jié)論如下:

1)采用直接炭化、CO2活化、H3PO4活化法制備出系列生物炭,其中H3PO4活化法制備的甘蔗基生物炭比表面積和總孔容最大,分別達(dá)到1 181.038 m2·g-1和1.174 cm3·g-1。

2)采用H3PO4活化法制備的甘蔗基生物炭對H2S和NH3的吸附性能最佳,在吸附溫度為25 ℃,H2S和NH3進(jìn)氣濃度為30×10-6,進(jìn)氣流量為1 000 mL·min-1條件下,對H2S和NH3的吸附時間最長,動態(tài)平衡吸附容量分別達(dá)到5.96、5.11 mg·g-1。

3)吸附溫度、進(jìn)氣濃度、進(jìn)氣流量對甘蔗基生物炭吸附性能均具有重要影響,提高吸附溫度、進(jìn)氣濃度和進(jìn)氣流量均不利于甘蔗基生物炭對H2S和NH3的吸附去除,在低溫條件下,適當(dāng)降低進(jìn)氣濃度和進(jìn)氣流量將有助于提升吸附效果。