CN102179234B - 一种脱除氯化汞的专用活性炭的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脱除氯化汞的专用活性炭的生产方法，该方法包括如下步骤：(1)将原料活性炭在惰性气氛、900～1100℃条件下处理2～4h，在惰性气氛中冷却，取出；(2)将步骤(1)处理后的原料活性炭与浸渍剂的水溶液混合，搅拌1～2h，然后静置过滤；(3)将过滤后得到的活性炭在惰性气氛下升温至200～300℃，干燥2h以上，并在惰性气氛下冷却，取出即得。本发明所制备的超级活性炭产品的氯化汞吸附量比原料活性炭可以提高近20倍以上，且能克服实际使用过程中由于酸性气体对脱氯化汞活性炭的毒害作用，能完全满足工业化应用的需要。
Description
技术领域
本发明属于化工生产技术领域，具体涉及一种脱除废气中氯化汞的专用活性炭的生产方法。
背景技术
随着煤的大量燃烧和含汞催化剂的大量使用，大量的金属汞随着废气被排放到了大气中，如全世界仅火力发电厂每年排放的汞就达到1470t。汞及其化合物的生物毒性很大，严重危害人类健康和其他生物，严重污染生态环境。因此，汞污染被世界公认为继硫污染之后的又一大污染问题，受到国际上越来越多的关注和重视。例如，美国总统“清洁天空计划”提出到2018年将汞排放减少69％，使美国燃煤电厂开始第一次面对排汞控制问题，能源部(DOE)为此选择了8项新的试验项目，研究电厂的排汞控制技术。排放到大气中的气态汞有单质汞和化合态汞(如氯化汞)两种形态。煤燃烧所产生的废气中主要含气态单质汞和部分的化合态汞。在许多使用氯化汞催化剂的化工行业(如天然气合成)所产水的废气中主要含化合态汞，其中尤以氯化汞最多。
由于目前主要关注的燃煤所生产的汞污染，它主要是气态单质汞，因此，有关脱除废气中气态单质汞的研究报道很多，已发展了一些较为成熟的汞处理技术。其中研究和使用最广泛的是活性炭吸附法。然而，由于普通活性炭的脱汞能力都比较弱，所以目前所使用的最有效的脱除其态单质汞的专用活性炭是在普通活性炭上负载单质硫(美国专利US4500327A)所制得。尽管负载有单质硫的活性炭的脱除气态单质汞的能力能够显著提高，有非常好的使用效果，但我们的研究发现它对以气态氯化汞为代表的化合态汞的脱除能力与普通活性炭相差无几，脱除能力很低，没有实用效果。最近的研究(P.Bihter，Carbon，2009，47：2855-2864)发现，活性炭对气态单质汞与化合态汞的吸附机理完全不同，活性炭的表面化学性质对其脱除单质汞和化合态汞的影响，可以说，完全相反。因此，在实际的应用过程中，不能用脱除气态单质汞的专用活性炭来替代脱除化合态汞的专用活性炭，必须开发出脱除废气中气态化合态汞的专用活性炭，应用于含有化合态汞的废气中的脱汞处理，有效防止化合态汞的排放。本发明是根据以往的相关基础理论研究结果，开发了一种显著提高活性炭的脱除氯化汞的专用活性炭，使活性炭能够应用于化工行业中使用氯化汞催化剂的废气处理过程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种脱除重金属剧毒物质氯化汞的专用活性炭的生产方法。
为解决上述技术问题，本发明的思路是：通过对原料活性炭在高温和惰性气氛条件下进行预处理后，再与硫化物及碱的混合物溶液进行混合搅拌、过滤和干燥，得到负载有硫化物和碱的具有高氯化汞吸附能力的活性炭产品。
本发明的技术原理如下：
活性炭是一种孔隙结构非常发达、化学性质稳定的高效吸附剂。它对某一具体成分的吸附能力取决于活性炭的孔隙结构和表面化学性质。我们研究发现，活性炭的表面化学性质是影响活性炭吸附气态氯化汞能力大小的关键因素。我们进一步研究了活性炭表面官能团对其氯化汞吸附能力的影响规律，发现活性炭中表面酸性官能团，如羧基和羟基等，不利于活性炭对气态氯化汞的吸附；活性炭表面的碱性越强则有利于活性炭对气态氯化汞的吸附。最近的理论研究(Carbon，2009，47：2855-2864)和试验研究(FuelProcessing Technology，2009，90：1361-1371)都表明，活性炭的碱性表面有利于吸附气态氯化汞，与我们的研究结论一致。
尽管总体上活性炭表面是非极性的。但由于活性炭具有不同的表面官能团(主要是含氧官能团)，因此活性炭通常显示出不同酸碱性。当活性炭具有羧基和羟基等官能团时表面显明显的酸性，活性炭在水中的pH值有时可以达到3；而当活性炭的表面官能团数量很少时，活性炭显碱性，活性炭的pH值有时可以达到10。活性炭的表面含氧官能团主要是在生产过程中活性炭与空气中氧气或一些氧化剂(如水蒸气或二氧化碳)所形成的，而且这些含氧官能团通常在高温和不含氧化剂的条件下都能去除，最终导致酸性活性炭转变为碱性活性炭。在实际生产过程中，活性炭都是在氧化性气氛，如水蒸气、空气或二氧化碳的条件下生产得到的，因此，活性炭的表面都含有一定数量的表面官能团。为了有效地去除活性炭中的表面官能团，提高活性炭的表面碱性，本发明所采用高温惰性气体对原料活性炭进行预处理。
在实际的含氯化汞废气处理过程中，仅仅依靠活性炭的物理吸附能力还不够，有时达不到实用的效果，还需要采用其他方法提高活性炭的化学吸附能力。本发明采用在活性炭上负载硫化钠或硫化铵之类的硫化物的方法，使氯化汞与这些硫化物生成硫化汞之类的沉淀，从而显著提高活性炭对氯化汞的化学吸附能力，显著提高活性炭的脱除气态氯化汞的能力。另外，在实际的氯化汞废气中，通常还含有一些如氯化氢之类的酸性气体，它们会导致两个不利的结果，一是这些酸性气体会吸附在活性炭上，使活性炭的表面转变为酸性，显著减少活性炭吸附氯化汞的能力，大大缩短活性炭的使用寿命；二是这些酸性气体会与负载在活性炭上的硫化物反应生成硫化氢气体，形成新的污染物，而且也会使负载的硫化物损失，降低活性炭的化学吸附能力和使用寿命。因此，本发明在负载硫化物的同时，负载一些碱性成分，使活性炭表面在使用过程中保持碱性性质不变，同时保证硫化物能以硫离子的形成存在，保证活性炭的化学吸附能力，显著延长活性炭的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种脱除氯化汞的专用活性炭的生产方法，该方法包括如下步骤：
(1)将原料活性炭在惰性气氛、900～1100℃条件下处理2～4h，在惰性气氛中冷却，取出；
(2)将步骤(1)处理后的原料活性炭与浸渍剂的水溶液混合，搅拌1～2h，然后静置过滤；
(3)将过滤后得到的活性炭在惰性气氛下升温至200～300℃，干燥2h以上，并在惰性气氛下冷却，取出即得。
步骤(1)中，所述的原料活性炭为颗粒活性炭或粉状活性炭。
步骤(1)中，所述的原料活性炭为煤质活性炭、椰壳等果壳活性炭或木质活性炭。
步骤(1)或(3)中，所述的惰性气氛是指氮气或氩气气氛。
步骤(2)中，所述的浸渍剂为硫化物与碱按重量比(1～3)∶1组成的混合物。其中，所述的硫化物为硫化钠或硫化铵，所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠或碳酸钾。
步骤(2)中，所述的浸渍剂的水溶液，浸渍剂重量百分浓度为5～20％。
步骤(2)中，浸渍剂的水溶液用量为，每1g原料活性炭加入10～50mL浸渍剂的水溶液。
有益的效果：利用本发明的方法所生产的脱除氯化汞专用活性炭，可以克服废气处理过程中活性炭的氯化汞吸附能力弱，且由于酸气体存在而导致的使用寿命短等问题。生产出的脱氯化汞专用活性炭在20μg/m3的氯化汞浓度中(以氮气为载气)，在80℃的吸附温度下，活性炭对氯化汞蒸气的吸附量高达211mg/g；在有氯化氢气体存在的条件下，其吸附量可以达到186mg/g，与原料活性炭相比，其氯化汞吸附能力提高近20倍。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1：
采用10～20目的椰壳活性炭作为原料活性炭，取200g的原料活性炭，在氮气气氛下在管式炉中升温至900℃加热处理3h，氮气气氛下冷却至室温后取出，得到活性炭产品A。
把100g硫化钠溶解在1000ml水中，然后加入的活性炭产品A 50g，在常温下搅拌2h后静置2h后过滤，然后把所得的活性炭在氮气气氛下升温至200℃，干燥2h，并在氮气气氛下冷却，取出得到活性炭产品B。
把100g硫化钠和50g氢氧化钠溶解在1000ml水中，然后加入的活性炭产品A 50g，在常温下搅拌2h后静置4h后过滤，然后把所得的活性炭在氮气气氛下升温至200℃，干燥2h，并在氮气气氛下冷却，取出得到活性炭产品C。
利用动态吸附装置，测试所制备的活性炭在80℃下在20ug/m3的氯化汞浓度气流(氮气气流和氮气/氯化氢按体积比10∶1的混合气流两种)中的穿透曲线，根据穿透曲线的穿透时间计算活性炭的活性炭的氯化汞吸附容量。其结果如表1所示。
表1 实施例1中各种活性炭产品的氯化汞吸附量(mg/g)
| 在氮气气流中 | 在氮气/氯化氢气流中 | |
| 原料活性炭 | 10.2 | 8.5 |
| 活性炭产品A | 55.0 | 29.6 |
| 活性炭产品B | 105.5 | 80.3 |
| 活性炭产品C | 154.4 | 142.7 |
实施例2：
采用20～40目的椰壳活性炭为原料活性炭，取200g的原料活性炭，在氮气气氛下在管式炉中升温至1000℃加热处理3h，氮气气氛下冷却至室温后取出，得到活性炭产品A。
把100g硫化钠溶解在1000ml水中，然后加入的活性炭产品A 30g，在常温下搅拌2h后静置4h后过滤，然后把所得的活性炭在氮气气氛下升温至200℃，干燥2h，并在氮气气氛下冷却，取出得到活性炭产品B。
把100g硫化钠和50g氢氧化钠溶解在1000ml水中，然后加入的活性炭产品A30g，在常温下搅拌2h后静置4h后过滤，然后把所得的活性炭在氮气气氛下升温至200℃，干燥2h，并在氮气气氛下冷却，取出得到活性炭产品C。
利用动态吸附装置，测试所制备的活性炭在80℃下在20ug/m3的氯化汞浓度气流(氮气气流和氮气/氯化氢按体积比10∶1的混合气流两种)中的穿透曲线，根据穿透曲线的穿透时间计算活性炭的活性炭的氯化汞吸附容量。其结果如表2所示。
表2 实施例2中各种活性炭产品的氯化汞吸附量(mg/g)
| 在氮气气流中 | 在氮气/氯化氢气流中 | |
| 原料活性炭 | 10.2 | 8.5 |
| 活性炭产品A | 79.0 | 52.6 |
| 活性炭产品B | 135.5 | 104.3 |
| 活性炭产品C | 196.4 | 173.7 |
实施例3：
采用粉状木质活性炭为原料活性炭，取200g的原料活性炭，在氮气气氛下在管式炉中升温至1000℃加热处理3h，氮气气氛下冷却至室温后取出，得到活性炭产品A。
把100g硫化钠溶解在1000ml水中，然后加入的活性炭产品A 50g，在常温下搅拌2h后静置4h后过滤，然后把所得的活性炭在氮气气氛下升温至200℃，干燥2h，并在氮气气氛下冷却，取出得到活性炭产品B。
把100g硫化钠和70g氢氧化钠溶解在1000ml水中，然后加入的活性炭产品A 50g，在常温下搅拌2h后静置4h后过滤，然后把所得的活性炭在氮气气氛下升温至200℃，干燥2h，并在氮气气氛下冷却，取出得到活性炭产品C。
利用动态吸附装置，测试所制备的活性炭在80℃下在20ug/m3的氯化汞浓度气流(氮气气流和氮气/氯化氢按体积比10∶1的混合气流两种))中的穿透曲线，根据穿透曲线的穿透时间计算活性炭的活性炭的氯化汞吸附容量。其结果如表3所示。
表3 实施例3中各种活性炭产品的氯化汞吸附量(mg/g)
| 在氮气气流中 | 在氮气/氯化氢气流中 | |
| 原料活性炭 | 9.2 | 8.0 |
| 活性炭产品A | 75.0 | 64.8 |
| 活性炭产品B | 148.5 | 125.3 |
| 活性炭产品C | 211.4 | 185.9 |
实施例4：
采用10～20目的煤质成型颗粒活性炭作为原料活性炭，取200g的原料活性炭，在氮气气氛下在管式炉中升温至900℃加热处理3h，氮气气氛下冷却至室温后取出，得到活性炭产品A。
把100g硫化铵溶解在1000ml水中，然后加入的活性炭产品A 50g，在常温下搅拌2h后静置4h后过滤，然后把所得的活性炭在氮气气氛下升温至200℃，干燥2h，并在氮气气氛下冷却，取出得到活性炭产品B。
把100g硫化铵和70g碳酸钾溶解在100ml水中，然后加入的活性炭产品A 50g，在常温下搅拌2h后静置4h后过滤，然后把所得的活性炭在氮气气氛下升温至250℃，干燥2h，并在氮气气氛下冷却，取出得到活性炭产品C。
利用动态吸附装置，测试所制备的活性炭在80℃下在20ug/m3的氯化汞浓度气流(氮气气流和氮气/氯化氢按体积比10∶1的混合气流两种)中的穿透曲线，根据穿透曲线的穿透时间计算活性炭的活性炭的氯化汞吸附容量。其结果如表4所示。
表4 实施例4中各种活性炭产品的氯化汞吸附量(mg/g)
| 在氮气气流中 | 在氮气/氯化氢气流中 | |
| 原料活性炭 | 15.1 | 10.7 |
| 活性炭产品A | 48.3 | 39.6 |
| 活性炭产品B | 97.6 | 74.7 |
| 活性炭产品C | 145.2 | 131.1 |
实施例5：
采用20～40目的煤质活性炭作为原料活性炭，取200g的原料活性炭，在氩气气氛下在管式炉中升温至1000℃加热处理3h，氩气气氛下冷却至室温后取出，得到活性炭产品A。
把100g硫化铵溶解在1500ml水中，然后加入的活性炭产品A 50g，在常温下搅拌2h后静置4h后过滤，然后把所得的活性炭在氮气气氛下在200℃下干燥2h，氩气气氛下冷却至室温后取出得到活性炭产品B。
把100g硫化铵和50g氢氧化钠溶解在1500ml水中，然后加入的活性炭产品A 50g，在常温下搅拌2h后静置4h后过滤，然后把所得的活性炭在氩气气氛下升温至200℃，干燥2h，氩气气氛下冷却至室温后取出得到活性炭产品C。
利用动态吸附装置，测试所制备的活性炭在80℃下在20ug/m3的氯化汞浓度气流(氮气气流和氮气/氯化氢按体积比10∶1的混合气流两种)中的穿透曲线，根据穿透曲线的穿透时间计算活性炭的活性炭的氯化汞吸附容量。其结果如表5所示。
表5 实施例5中各种活性炭产品的氯化汞吸附量(mg/g)
| 在氮气气流中 | 在氮气/氯化氢气流中 | |
| 原料活性炭 | 15.1 | 10.7 |
| 活性炭产品A | 64.5 | 48.2 |
| 活性炭产品B | 90.6 | 68.3 |
| 活性炭产品C | 139.9 | 124.8 |
Claims (3)
1.一种脱除氯化汞的专用活性炭的生产方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（1）将原料活性炭在惰性气氛、900～1100°C条件下处理2～4h，在惰性气氛中冷却，取出；
（2）将步骤（1）处理后的原料活性炭与浸渍剂的水溶液混合，搅拌1～2h，然后静置过滤；
（3）将过滤后得到的活性炭在惰性气氛下升温至200～300°C，干燥2h以上，并在惰性气氛下冷却，取出即得；
步骤（2）中，所述的浸渍剂为硫化物与碱按重量比（1～3）：1组成的混合物；
步骤（1）或（3）中，所述的惰性气氛是指氮气或氩气气氛；
步骤（2）中，所述的浸渍剂的水溶液，浸渍剂重量百分浓度为5～20%；
步骤（2）中，浸渍剂的水溶液用量为，每1g原料活性炭加入10～50mL浸渍剂的水溶液；
所述的硫化物为硫化钠或硫化铵，所述的碱为氢氧化钠、或氢氧化钾。
2.根据权利要求1所述的脱除氯化汞的专用活性炭的生产方法，其特征在于，步骤（1）中，所述的原料活性炭为颗粒活性炭或粉状活性炭。
3.根据权利要求1或2所述的脱除氯化汞的专用活性炭的生产方法，其特征在于，步骤（1）中，所述的原料活性炭为煤质活性炭、果壳活性炭或木质活性炭。
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