硫化氫是一種有毒有害氣體,而且易燃易爆,極易腐蝕金屬,堵塞管道。我國及國外一些國家對不同環境下的硫化氫排放濃度進行了嚴格限制。
活性炭脫除硫化氫
早在上世紀30年代活性炭就已被應用于工業生產中脫除硫化氫,可是直到70年代人們才發現它作為催化劑催化氧化硫化氫的機理。
以活性炭作為催化劑,硫化氫將與氧氣發生反應:
H2S+1/2O2→S+H2O
這個反應分為以下幾個過程:
1、氣體中的水被活性炭吸附后在其表面形成一層水膜;
2、硫化氫和氧氣擴散進入活性炭孔內,硫化氫在水膜內分解,氧氣分子也被活性炭表面吸附活化,并與HS-反應;
3、O-O鍵斷裂生成的活性氧原子也很快與HS-反應,生成S逐漸沉積在活性炭上。
整個過程如下圖所示:
影響活性炭吸附硫化氫的因素
1、活性炭孔道結構的影響
活性炭孔結構是影響脫硫效率的很關鍵的因素,
最初的研究表明脫硫活性與3.5~ 8nm的孔表面積成正比,但孔徑一旦小于3.5 nm 就沒有脫硫效果,并且反應生成的S最初總是覆蓋在8~30nm的大孔中, 這種硫不影響活性炭的催化活性;
Steijins和Mars研究了不同孔結構物質的脫硫效果,發現孔徑為0.5~1nm的微孔具有最高的催化活性,太大和太小的孔脫硫效果則要弱得多;
譚小耀等曾用不同孔徑的活性炭做過實驗,得出1~4nm的孔具有最高的脫硫活性。
2、水分(濕度)的影響
在完全無水的情況下,活性炭對氣體分子的吸附性能是很差的,而對于低溫下H2S的催化氧化,物理吸附起著決定性作用。
增加氣體濕度即可提高氣體吸附相的濃度,無疑也會提高脫硫速度和硫容量。進料氣體中水分含量對活性炭的脫硫效果很大,水分的存在提高了脫硫速度,Alessan-dra Primavera等實驗表明 溫度25℃和40℃時,濕度分別為5%和12%時脫硫速度最快, 濕度太大和太小均不行。
3、活性炭的改性方法及影響
在活性炭中浸漬某些金屬化合物作改性劑可以顯著增強活性炭的催化活性,既可降低脫硫溫度,又可以大大提高硫容量。
目前有兩類改性劑:
一種是堿性金屬化合物,其中 KOH和 NaOH是最常見的兩種浸漬劑,利用Na2CO3作為改性劑,其硫容量可以達到40%,同樣用K2CO3也能達到很好的效果。
另一類改性劑是KI或KMnO4,它們可以促進H2S氧化生成單質 S。
4、原料氣組分的影響
原料氣的組分對脫硫化氫也有一定影響,在常溫下,CO2的存在會影響脫硫效果, 尤其當原料氣濕度比較大而CO2濃度比較高的時候,硫容量會大大降低。
M P Cal 等最近在高溫下得出一個相反的結論:
在高溫下,二氧化碳的存在會促進H2S在活性炭上的吸附,他們給出的解釋是,在高溫下二氧化碳能夠部分氣化固體活性炭,形成 C-O絡合物。
另外,Junji Masuda 指出原料氣中烴類氣體以及二硫化碳的存在會降低活性炭的脫硫速率而且它們自身也會被活性炭吸附 ( 不發生其它反應),但如果原料氣中有氨氣存在,能提高脫硫速率,而氨氣自身不被活性炭所吸附。
5、活性炭表面化學環境的影響
活性炭表面的化學環境在脫硫過程中也是一個很重要的因素,活性炭上含有羧基的官能團將直接影響活性炭的穿透能力。當羧基的數量在0.15~ 0.3mmol/g時,活性炭的脫硫能力會有很大的區別。
Foad Adib 指出,活性炭的酸堿度 ( pH 值) 不 一樣,硫化氫將有不同的反應方向,酸性增加不利于硫化氫催化氧化成單質 S。
來源:活性炭脫除低濃度硫化氫研究進展