活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　气态氨通常从几个来源包括化肥工业，废水处理厂，农业废料，动物饲养，奶制品/家禽业，堆肥设施，汽油车以及从特定化学工业。考虑到空气污染和对环境的影响，也有很多技术已被用于除去气态氨，比如生物过滤器，催化体系生物处理，洗涤器或者纳米技术等。这次我们要使用活性炭类吸附技术来处理氨气的排放。

　　颗粒活性炭的生产

　　使用专业的切刀将果壳其缩小到1–1.2毫米。然后使用化学活化工艺将各个果壳颗粒转化为活性炭。对于初始浸渍步骤，首先将原材料在100°C的烤箱中干燥。然后按特定的浸渍比混合，将该混合物放置过夜以进行浸泡。然后将各混合物移至炭化活化炉中进行加工。出来的产品使用高纯水进行洗涤，过程直到洗涤水的pH达到接近中性。接着使用标准烘箱在110℃下干燥所得产物，然后进行过筛机以获得约1mm的活性炭颗粒。

　　气态氨动态吸附研究

　　动态吸附研究使用台式实验装置完成。图1a提供了用于氨气动态吸附实验的各个装置的布局。它由以下主要独立组件组成：氨气标准气瓶，高纯度空气供应单元，通过一系列控制气体流量和气体浓度的阀门将气源与活性炭塔连接的标准流量计，活性炭塔和氨气分析仪。包含所产生的活性炭(使氨气连续通过的塔)的塔由氟化乙烯丙烯管制成，其内径为6.35 mm，外径为7.938 mm。首先在塔的底部提供惰性支撑，然后填充颗粒活性炭，然后在顶部填充相同的惰性材料。使用分离/专用的标准流量控制器。此后，将高纯度空气源和氨气标准液的连续流混合(以特定的流速)，以实现所需的进料气态氨气浓度(用于吸附实验)。

　　图1：用于动态连续氨气流量吸附实验的实验装置。

　　氨气浓度的影响

　　我们进行了一组实验以评估进水氨浓度对其基于吸附的去除的影响。为此，使用6 cm和8 cm的活性炭色谱柱，在不同的进水气态氨浓度下进行了几次实验。对于8 cm活性炭色谱柱，初始实验在2.5至7.5 ppmv的气态氨气之间进行。分别在1.1和2.2 L/min的气体流速下的各自发现显示在图2a，b中。显然，随着进水氨浓度的逐渐降低，突破点也向更长的时间转移。例如，图2中的结果a显示以下突破趋势：1295分钟(2.5 ppmv)>712分钟(5 ppmv)>532分钟(7.5 ppmv)。此外，各个实验的排气时间值还显示出在较低气态氨浓度下的较长运行时间，即4000分钟(2.5 ppmv)>2312分钟(5 ppmv)>1574分钟(7.5 ppmv)。此外，图2中的吸附趋势通常显示出较宽的吸附穿透曲线，表明传质区(MTZ)的长度相对较大。这与苯在活性炭上的吸附有所不同，后者表现出明显的穿透曲线。对于氨而言，这种不同的趋势可能归因于可以与表面酸性基团相互作用的氨部分的基本性质。进入的气态氨的增加及其从整体气相到GAC表面的转移将启动GAC表面吸附位点(包括孔中的那些位点)更快的消耗。由于各自的表面吸附位点是固定的和有限的，因此预计在较高的进水氨浓度下，较早的突破以及较早的耗尽将逐渐发生。

　　图2：进水氨气浓度对活性炭上氨气吸附突破曲的影响。

　　氨气流量的影响

　　本研究还使用基于数据坑的活性炭研究了气体流速对氨吸附的影响。图3提供了1.1至3.3 L/min的气体流速的相应结果。通常，氨气流量的逐渐增加也会导致相应的穿透时间和排气时间响应逐渐减少(图3)。例如，流量为1.1、1.65、2.2和3.3 L/min时的突破时间分别为712、383、272和197 min(图3)。因此，较高的突破时间值在较低的氨气流速下蒸发。此外，对于1.1、1.65、2.2和3.3 L/min流量研究，还分别记录了2312、1673、1315和1213分钟的排气时间。这类似于上述突破时间趋势，可以解释如下。在较低的流入气体流速下，氨分子从气相到活性炭表面的传质速率也相对较小。因此，与较高气体流速下的活性炭表面部位相比，单位时间内所占据的活性炭表面部位也更少，产生更高的穿透时间和耗竭时间响应(图3)。这些发现对于实际应用尤其重要。

　　图3：进水氨/气体流量对活性炭吸附的影响。

　　我们研究了活性炭在处理气态氨中的应用，以及进水气体流速，气体浓度和活性炭柱长(床深)对氨气吸附的影响。结果表明，活性炭在一组不同的工艺条件下成功处理了气态氨。各自的发现表明，增加的穿透/排气时间随着进水氨的减少和活性炭床深度的增加而增加。在当前情况下，气态氨吸附的较宽的穿透曲线表明传质区(MTZ)的长度相对较长，这表明应提供更长的活性炭色谱柱长度，以避免早期穿透，以实现良好的实际应用。总之，当前工作的结果表明，活性炭可以成功地用于处理气态氨的排放，并在许多行业中具有潜在的应用前景。

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