CN114057193A - 一种氮掺杂活性炭基脱硫剂及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮掺杂活性炭基脱硫剂及其制备方法、应用，其中氮掺杂活性炭基脱硫剂以改性氮掺杂活性炭为载体，以金属盐为活性组分，通过在惰性气体氛围下煅烧而成；氮掺杂活性炭基脱硫剂包括按质量百分数计的如下成分：改性氮掺杂活性炭，80％～99％；金属氧化物，1％～20％；该氮掺杂活性炭基脱硫剂能够在脱除羰基硫和硫化氢的混合气中应用。该氮掺杂活性炭基脱硫剂不仅能够在常低温条件下高效脱除高炉煤气的含硫污染物，而且N‑AC基脱硫剂绿色环保，其失活后无需进行任何处理，可直接与烧结料混合用于钢铁冶炼，既消除了脱硫剂失活再生时造成的污染问题，又实现了资源化利用。
Description
技术领域
本发明涉及大气污染治理领域，尤其涉及一种氮掺杂活性炭基脱硫剂及其制备方法、应用，主要用于脱除高炉废弃中的含硫污染物。
背景技术
高炉煤气是炼铁过程中产生的二次能源，但由于高炉煤气含硫污染物(主要是羰基硫和硫化氢)浓度高，导致燃烧后烟气中二氧化硫浓度超过钢铁行业排放标准，严重影响了其二次利用；另外由于高炉煤气温度低、气量大、热值低、成分特殊等特点，因此目前国内还没有完善钢铁行业中的高炉煤气脱硫技术及相应的工业装备；
现有技术中，也有一些针对高炉煤气脱硫方面的相关研究，比如申请号201310632491.7公开了一种低温羰基硫水解催化剂及其制备方法，该低温羰基硫水解催化剂，以改性γ-FeOOH为活性组分，其中，所述改性γ-FeOOH催化剂采用如下方法制备：亚铁盐与改性剂混合均匀形成溶液，搅拌条件下向溶液中滴加沉淀剂，调节pH至6.5-8，经陈化、离心，水洗，加入成型剂、粘结剂混捏，成型烘干后得产品；虽然该催化剂在30～80℃的低温条件下，在原料气中CO2浓度较高的情况下，可以实现羰基硫的高效转化，然而其1000h-1的反应空速相对较低，且对于实际工况下要求原料气压较高，反应压降较大，不宜工业化。又如申请号201911052767.8公开了一种高炉煤气羰基硫水解剂及其制备方法，该水解剂以γ-Al2O3和TiO2做载体，活性组分为氧化钾、氧化铁、二氧化锆，再添加硝酸、田菁粉、聚乙烯醇制成，各组分质量比为：载体80％-93％，其中TiO2和γ-Al2O3的比例为0-0.25，活性组分7％-20％；该水解剂制备时，首先称量混合载体，在干燥箱中100-115℃下干燥2-4h；然后称量活性组分，加入去离子水溶解；最后将载体放入到活性组分溶液中，加入硝酸、田菁粉以及去离子水，混合均匀，经挤压成型、干燥、焙烧，制成蜂窝状水解剂；虽然该催化剂在反应温度80～200℃，体积空速3000～6000h-1的条件下，能实现羰基硫的高效水解；但是该催化剂反应温度较高，在实际应用中能耗过高，导致处理成本提高；另外上述催化剂在使用过程中无法实现无机硫和有机硫一体化脱除，导致脱除工艺复杂，不符合绿色生产的思想；更重要的是，现有的催化剂失活后通常会进行再生回用或者直接丢弃，这又会带来严重的环境污染问题。
鉴于上述情况，亟待研发一种适合钢铁工况的脱硫剂，不仅能够在常低温条件下高效脱除高炉煤气的含硫污染物，而且脱硫剂失活后再生时不会对环境造成污染，能够实现资源化利用。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明目的是提供一种氮掺杂活性炭基脱硫剂及其制备方法、应用，该氮掺杂活性炭基脱硫剂以改性氮掺杂活性炭(N-AC)为载体，以金属盐为活性组分，通过在惰性气体氛围下煅烧而成；该氮掺杂活性炭基脱硫剂不仅能够在常低温条件下高效脱除高炉煤气的含硫污染物，而且N-AC基脱硫剂绿色环保，其失活后无需进行任何处理，可直接与烧结料混合用于钢铁冶炼，既消除了脱硫剂失活再生时造成的污染问题，又实现了资源化利用。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
本发明的第一方面提供一种氮掺杂活性炭基脱硫剂，包括按质量百分数计的如下成分：
改性氮掺杂活性炭，80％～99％；
金属氧化物，1％～20％；
其中，所述金属氧化物选自铁的氧化物、铜的氧化物、镍的氧化物、钴的氧化物、锌的氧化物以及镧系金属的氧化物中的一种或多种。
优选地，所述改性氮掺杂活性炭采用如下方法制备：
S11，活性炭预处理，将所述活性炭经研磨、水洗、烘干、酸洗得到洁净活性炭，所述洁净活性炭再经抽滤、水洗至中性、烘干后得到预处理活性炭；
S12，制备氮掺杂活性炭，将所述预处理活性炭与氮源充分混合后，在惰性气体氛围下煅烧得到氮掺杂活性炭；
S13，制备改性氮掺杂活性炭，将氮掺杂活性炭在搅拌条件下加入混酸进行改性，通过溶剂热反应后过滤得到沉淀物，将混合物经洗涤、干燥后制得改性氮掺杂活性炭。
优选地，所述步骤S12中，所述预处理活性炭与所述氮源的质量比为1:4～4:1；和/或
所述氮源选自三聚氰胺、尿素、色氨酸、丝氨酸中的一种。
优选地，所述步骤S12中，所述惰性气体选自氮气或氩气；和/或
所述煅烧过程中升温速率为1～10℃/min，煅烧温度为200～700℃，煅烧时间为1～5h。
优选地，所述步骤S13中，
所述混酸包括浓硝酸和浓硫酸，所述浓硝酸和浓硫酸的体积比为1:3～3:1；所述混酸与所述预处理活性炭的比例为10:1～30:1mL/g；和/或
所述溶剂热反应的温度为60～100℃，反应时间为8～10h，所述干燥的温度为60～80℃。
本发明的第二方面提供一种如本发明第一方面的氮掺杂活性炭基脱硫剂的制备方法，以改性氮掺杂活性炭为载体，以金属盐为活性组分的原料，通过在惰性气体氛围下煅烧而成。
优选地，所述制备方法包括以下步骤：
S1，制备改性氮掺杂活性碳；
S2，将改性氮掺杂活性炭置于溶剂中通过超声均匀分散后得到悬浊液，向所述悬浊液中加入金属盐溶液充分混匀，再通过碱调节pH至8～11后，烘干得到固相物；
S3，将所述固相物在惰性气体氛围下煅烧，得到氮掺杂活性炭基脱硫剂。
优选地，所述步骤S2中，所述悬浊液中，所述改性氮掺杂活性碳的浓度为100g/L±1g/L；和/或
所述金属盐选自铁盐、铜盐、镍盐、钴盐、锌盐以及镧系金属盐中的一种或多种；和/或
所述碱采用氢氧化钠或氢氧化钾；和/或
所述烘干的温度为60～80℃。
优选地，所述步骤S3中，
所述惰性气体采用氮气或氩气；
所述煅烧的升温速率为1～10℃/min，所述煅烧温度为200～700℃，所述反应时间为1～5h。
本发明的第三方面提供一种如本发明第一方面所述的氮掺杂活性炭基脱硫剂在脱除羰基硫和硫化氢的混合气中应用。
优选地，所述混合气的空速为3000～6000h-1，反应温度为50～80℃。
本发明的氮掺杂活性炭基脱硫剂的脱硫机理如下：通过稀酸对活性炭进行改性，使得活性炭的比表面积降低，孔隙增大，表面的官能团(-C-C、-C-O、C＝O、-O-C＝O等)增加；通过N掺杂增加活性炭的碱度，改善其表面的电子结构，增强其化学活性，从而增强活性炭对酸性污染物(羰基硫、硫化氢等)的吸附能力；采用金属氧化物作为活性组分，将N掺杂活性炭表面的官能团活化，使得含硫污染物更容易与N掺杂活性炭上的官能团发生反应；主要反应机理如下：
COS+H2O→CO2+H2O；Fe2O3+3H2S→Fe2S3+3H2O；
本发明的有益效果为：
1.本发明的氮掺杂活性炭基脱硫剂，以改性氮掺杂活性炭(N-AC)为载体，通过氮掺杂可以调节脱硫剂的酸碱性，改善其表面的电子结构，增强脱硫剂的化学活性，使得该氮掺杂活性炭基脱硫剂能够在常低温条件下高效脱除含硫污染物；
2.本发明的氮掺杂活性炭基脱硫剂，在对高炉煤气进行脱硫处理过程中无需预精脱硫化氢，能够使环流污染物在常低温条件下同时脱除，不仅简化了脱硫工艺，而且高效的脱除了高炉煤气中的含硫污染物；
3.本发明的氮掺杂活性炭基脱硫剂绿色环保，由于采用改性N-AC为载体，因此在其失活后，无需进行任何处理，可直接与烧结料混合用于钢铁冶炼，既消除了脱硫剂失活再生时造成的污染问题，又实现了资源化利用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
本发明所提供的一种氮掺杂活性炭基脱硫剂，包括按质量百分数计的以下成分：
改性氮掺杂活性炭，80％～99％；
金属氧化物，1％～20％；
其中，所述金属氧化物选自铁的氧化物、铜的氧化物、镍的氧化物、钴的氧化物、锌的氧化物以及镧系金属的氧化物中的一种或多种。
金属氧化物的含量优选为1％～15％，最优含量为5％。
上述氮掺杂活性炭基脱硫剂的制备方法，以改性氮掺杂活性炭为载体，以金属盐为活性组分，通过在惰性气体氛围下煅烧而成；氮掺杂活性炭基脱硫剂的制备方法包括以下步骤：
S1，制备改性氮掺杂活性碳，具体包括以下步骤：
S11，活性炭预处理，将活性炭经研磨至粉末，并用蒸馏水进行水洗，清洗多次至上清液物浑浊物悬浮后，将水洗后的活性炭粉末置于烘箱中烘干，再采用稀无机酸在室温条件下酸洗，去除表面的灰分后得到洁净活性炭，洁净活性炭经过抽滤、水洗至中性后，在烘箱中烘干得到预处理活性炭；
S12，制备氮掺杂活性炭，将预处理活性炭与氮源按质量比为1:4～4:1充分混合，在惰性气体氛围下煅烧得到氮掺杂活性炭；
其中氮源选自三聚氰胺、尿素、色氨酸、丝氨酸中的一种；惰性气体采用氮气或氩气；煅烧过程中升温速率为1～10℃/min，煅烧温度为200～700℃，煅烧时间为1～5h。
S13，制备改性氮掺杂活性炭，将氮掺杂活性炭置于烧杯中，在搅拌条件下缓慢加入混酸进行改性，改性过程中持续搅拌，便于氮掺杂活性炭分散均匀，然后通过溶剂热反应后过滤得到沉淀物，将混合物经洗涤、在烘箱中干燥后，制得改性氮掺杂活性炭；
其中混酸包括浓硝酸和浓硫酸，浓硝酸和浓硫酸的体积比为1:3～3:1；混酸与预处理活性炭的比例为10:1～30:1mL/g；
溶剂热反应的温度为60～100℃，反应时间为8～10h，干燥的温度为60～80℃；其中溶剂一般采用水。
S2，将改性氮掺杂活性炭置于溶剂中经超声均匀分散后得到改性氮掺杂活性碳浓度为100g/L±1g/L的悬浊液，向悬浊液中加入质量浓度为1～20％的金属盐溶液，持续搅拌充分混匀；再通过无机碱调节pH至8～11，并搅拌均匀后，置于烘箱中在60～80℃下干燥后得到固相物；
其中溶剂一般采用水，金属盐选自铁盐、铜盐、镍盐、钴盐、锌盐以及镧系金属盐中的一种或多种；金属盐优选铁盐；无机碱采用氢氧化钠或氢氧化钾。
S3，将固相物置于惰性气体氛围的管式炉中煅烧，得到氮掺杂活性炭基脱硫剂。
其中惰性气体采用氮气或氩气；煅烧的升温速率为1～10℃/min，煅烧温度为200～700℃，反应时间为1～5h。
上述制备的氮掺杂活性炭基脱硫剂能够在脱除羰基硫和硫化氢的混合气中应用，混合气的空速为3000～6000h-1，反应温度为50～80℃；其中混合气中羰基硫浓度为100mg/m3～200mg/m3，硫化氢浓度为25mg/m3～40mg/m3。
该氮掺杂活性炭基脱硫剂的脱硫率达到65％～100％。
上述氮掺杂活性炭基脱硫剂在失活后，无需进行任何处理，可直接与烧结料混合用于钢铁冶炼。
下面结合具体例子进一步对本发明的氮掺杂活性炭基脱硫剂及其制备方法、应用进行说明；
实施例1
S1，制备改性氮掺杂活性碳，具体包括以下步骤：
S11，活性炭预处理，将活性炭经研磨、水洗、烘干、酸洗得到洁净活性炭，洁净活性炭再经过抽滤、水洗至中性后，在烘箱中烘干得到预处理活性炭；
S12，制备氮掺杂活性炭，将预处理活性炭与氮源按质量比为1:1充分混合，在惰性气体氛围下煅烧得到氮掺杂活性炭；
其中氮源采用三聚氰胺；惰性气体采用氮气或氩气；煅烧过程中升温速率为10℃/min，煅烧温度为700℃，煅烧时间为3h。
S13，制备改性氮掺杂活性炭，将氮掺杂活性炭置于烧杯中，在搅拌条件下缓慢加入混酸进行改性，改性过程中持续搅拌，便于氮掺杂活性炭分散均匀，然后通过溶剂热反应后过滤得到沉淀物，将混合物经洗涤、在烘箱中干燥后，制得改性氮掺杂活性炭；
其中混酸包括浓硝酸和浓硫酸，浓硝酸和浓硫酸的体积比为2:1；混酸与预处理活性炭的比例为10:1mL/g；
溶剂热反应的温度为80℃，反应时间为10h，干燥的温度为80℃。
S2，将改性氮掺杂活性炭置于溶剂中经超声均匀分散后得到改性氮掺杂活性碳浓度为100g/L±1g/L的悬浊液，向悬浊液中加入5ml质量浓度为50的硝酸铁溶液，持续搅拌充分混匀；再通过KOH溶液调节pH至9，并搅拌均匀后，置于烘箱中在60℃下干燥12h后得到固相物；
S3，将固相物置于管式炉中，在N2氛围下，以5℃/min的升温速率升温至400℃，反应3h后，得到1％Fe/N-AC脱硫剂(1％Fe表示脱硫剂中Fe2O3的质量分数为1％)。
该氮掺杂活性炭基脱硫剂中N-AC含量为99％，金属氧化物(Fe2O3)含量为1％。
上述制备的1％Fe/N-AC脱硫剂在3000h-1、50℃条件下脱除羰基硫和硫化氢的混合气中含硫污染物测试其脱硫性能，发现含硫污染物的脱除率大于83％。
实施例2
S1，制备改性氮掺杂活性碳，具体包括以下步骤：
S11，活性炭预处理，将活性炭经研磨、水洗、烘干、酸洗得到洁净活性炭，洁净活性炭再经过抽滤、水洗至中性后，在烘箱中烘干得到预处理活性炭；
S12，制备氮掺杂活性炭，将预处理活性炭与氮源按质量比为1:1充分混合，在惰性气体氛围下煅烧得到氮掺杂活性炭；
其中氮源采用三聚氰胺；惰性气体采用氮气或氩气；煅烧过程中升温速率为10℃/min，煅烧温度为700℃，煅烧时间为3h。
S13，制备改性氮掺杂活性炭，将氮掺杂活性炭置于烧杯中，在搅拌条件下缓慢加入混酸进行改性，改性过程中持续搅拌，便于氮掺杂活性炭分散均匀，然后通过溶剂热反应后过滤得到沉淀物，将混合物经洗涤、在烘箱中干燥后，制得改性氮掺杂活性炭；
其中混酸包括浓硝酸和浓硫酸，浓硝酸和浓硫酸的体积比为2:1；混酸与预处理活性炭的比例为10:1mL/g；
溶剂热反应的温度为80℃，反应时间为10h，干燥的温度为80℃。
S2，将改性氮掺杂活性炭置于溶剂中经超声均匀分散后得到改性氮掺杂活性碳浓度为100g/L±1g/L的悬浊液，向悬浊液中加入27ml质量浓度为50％的硝酸铁溶液，持续搅拌充分混匀；再通过KOH溶液调节pH至9，并搅拌均匀后，置于烘箱中在60℃下干燥12h后得到固相物；
S3，将固相物置于管式炉中，在N2氛围下，以5℃/min的升温速率升温至400℃，反应3h后，得到5％Fe/N-AC脱硫剂(5％Fe表示脱硫剂中Fe2O3的质量分数为5％)。
该氮掺杂活性炭基脱硫剂中N-AC含量为95％，金属氧化物(Fe2O3)含量为5％。
上述制备的5％Fe/N-AC脱硫剂在3000h-1、50℃条件下脱除羰基硫和硫化氢的混合气中含硫污染物测试其脱硫性能，发现含硫污染物的脱除率大于98％。
实施例3
S1，制备改性氮掺杂活性碳，具体包括以下步骤：
S11，活性炭预处理，将活性炭经研磨、水洗、烘干、酸洗得到洁净活性炭，洁净活性炭再经过抽滤、水洗至中性后，在烘箱中烘干得到预处理活性炭；
S12，制备氮掺杂活性炭，将预处理活性炭与氮源按质量比为1:1充分混合，在惰性气体氛围下煅烧得到氮掺杂活性炭；
其中氮源采用三聚氰胺；惰性气体采用氮气或氩气；煅烧过程中升温速率为10℃/min，煅烧温度为3700℃，煅烧时间为3h。
S13，制备改性氮掺杂活性炭，将氮掺杂活性炭置于烧杯中，在搅拌条件下缓慢加入混酸进行改性，改性过程中持续搅拌，便于氮掺杂活性炭分散均匀，然后通过溶剂热反应后过滤得到沉淀物，将混合物经洗涤、在烘箱中干燥后，制得改性氮掺杂活性炭；
其中混酸包括浓硝酸和浓硫酸，浓硝酸和浓硫酸的体积比为2:1；混酸与预处理活性炭的比例为10:1mL/g；
溶剂热反应的温度为80℃，反应时间为10h，干燥的温度为80℃。
S2，将改性氮掺杂活性炭置于溶剂中经超声均匀分散后得到改性氮掺杂活性碳浓度为100g/L±1g/L的悬浊液，向悬浊液中加入56ml质量浓度为50％的硝酸铁溶液，持续搅拌充分混匀；再通过KOH溶液调节pH至9，并搅拌均匀后，置于烘箱中在60℃下干燥12h后得到固相物；
S3，将固相物置于管式炉中，在N2氛围下，以5℃/min的升温速率升温至400℃，反应3h后，得到10％Fe/N-AC脱硫剂(10％Fe表示脱硫剂中Fe2O3的质量分数为10％)。
该氮掺杂活性炭基脱硫剂中N-AC含量为90％，金属氧化物(Fe2O3)含量为10％。
上述制备的10％Fe/N-AC脱硫剂在3000h-1、50℃条件下脱除羰基硫和硫化氢的混合气中含硫污染物测试其脱硫性能，发现含硫污染物的脱除率大于92％。
实施例4
S1，制备改性氮掺杂活性碳，具体包括以下步骤：
S11，活性炭预处理，将活性炭经研磨、水洗、烘干、酸洗得到洁净活性炭，洁净活性炭再经过抽滤、水洗至中性后，在烘箱中烘干得到预处理活性炭；
S12，制备氮掺杂活性炭，将预处理活性炭与氮源按质量比为1:1充分混合，在惰性气体氛围下煅烧得到氮掺杂活性炭；
其中氮源采用三聚氰胺；惰性气体采用氮气或氩气；煅烧过程中升温速率为10℃/min，煅烧温度为700℃，煅烧时间为3h。
S13，制备改性氮掺杂活性炭，将氮掺杂活性炭置于烧杯中，在搅拌条件下缓慢加入混酸进行改性，改性过程中持续搅拌，便于氮掺杂活性炭分散均匀，然后通过溶剂热反应后过滤得到沉淀物，将混合物经洗涤、在烘箱中干燥后，制得改性氮掺杂活性炭；
其中混酸包括浓硝酸和浓硫酸，浓硝酸和浓硫酸的体积比为2:1；混酸与预处理活性炭的比例为10:1mL/g；
溶剂热反应的温度为80℃，反应时间为10h，干燥的温度为80℃。
S2，将改性氮掺杂活性炭置于溶剂中经超声均匀分散后得到改性氮掺杂活性碳浓度为100g/L±1g/L的悬浊液，向悬浊液中加入89ml质量浓度为50％的硝酸铁溶液，持续搅拌充分混匀；再通过KOH溶液调节pH至9，并搅拌均匀后，置于烘箱中在60℃下干燥12h后得到固相物；
S3，将固相物置于管式炉中，在N2氛围下，以5℃/min的升温速率升温至400℃，反应3h后，得到15％Fe/N-AC脱硫剂(15％Fe表示脱硫剂中Fe2O3的质量分数为15％)。
该氮掺杂活性炭基脱硫剂中N-AC含量为85％，金属氧化物(Fe2O3)含量为15％。
上述制备的15％Fe/N-AC脱硫剂在3000h-1、50℃条件下脱除羰基硫和硫化氢的混合气中含硫污染物测试其脱硫性能，发现含硫污染物的脱除率大于80％。
实施例5
S1，制备改性氮掺杂活性碳，具体包括以下步骤：
S11，活性炭预处理，将活性炭经研磨、水洗、烘干、酸洗得到洁净活性炭，洁净活性炭再经过抽滤、水洗至中性后，在烘箱中烘干得到预处理活性炭；
S12，制备氮掺杂活性炭，将预处理活性炭与氮源按质量比为1:1充分混合，在惰性气体氛围下煅烧得到氮掺杂活性炭；
其中氮源采用三聚氰胺、尿素、色氨酸、丝氨酸；惰性气体采用氮气或氩气；煅烧过程中升温速率为10℃/min，煅烧温度为700℃，煅烧时间为3h。
S13，制备改性氮掺杂活性炭，将氮掺杂活性炭置于烧杯中，在搅拌条件下缓慢加入混酸进行改性，改性过程中持续搅拌，便于氮掺杂活性炭分散均匀，然后通过溶剂热反应后过滤得到沉淀物，将混合物经洗涤、在烘箱中干燥后，制得改性氮掺杂活性炭；
其中混酸包括浓硝酸和浓硫酸，浓硝酸和浓硫酸的体积比为2:1；混酸与预处理活性炭的比例为10:1mL/g；
溶剂热反应的温度为80℃，反应时间为10h，干燥的温度为80℃。
S2，将改性氮掺杂活性炭置于溶剂中经超声均匀分散后得到改性氮掺杂活性碳浓度为100g/L的悬浊液，向悬浊液中加入126ml质量浓度为50％的硝酸铁溶液，持续搅拌充分混匀；再通过KOH溶液调节pH至9，并搅拌均匀后，置于烘箱中在60℃下干燥12h后得到固相物；
S3，将固相物置于管式炉中，在N2氛围下，以5℃/min的升温速率升温至400℃，反应3h后，得到20％Fe/N-AC脱硫剂(20％Fe表示脱硫剂中Fe2O3的质量分数为20％)。
该氮掺杂活性炭基脱硫剂中N-AC含量为80％，金属氧化物(Fe2O3)含量为20％。
上述制备的20％Fe/N-AC脱硫剂在3000h-1、50℃条件下脱除羰基硫和硫化氢的混合气中含硫污染物测试其脱硫性能，发现含硫污染物的脱除率大于65％。
实施例6
S1，制备改性氮掺杂活性碳，具体包括以下步骤：
S11，活性炭预处理，将活性炭经研磨、水洗、烘干、酸洗得到洁净活性炭，洁净活性炭再经过抽滤、水洗至中性后，在烘箱中烘干得到预处理活性炭；
S12，制备氮掺杂活性炭，将预处理活性炭与氮源按质量比为1:1充分混合，在惰性气体氛围下煅烧得到氮掺杂活性炭；
其中氮源采用三聚氰胺；惰性气体采用氮气或氩气；煅烧过程中升温速率为10℃/min，煅烧温度为700℃，煅烧时间为3h。
S13，制备改性氮掺杂活性炭，将氮掺杂活性炭置于烧杯中，在搅拌条件下缓慢加入混酸进行改性，改性过程中持续搅拌，便于氮掺杂活性炭分散均匀，然后通过溶剂热反应后过滤得到沉淀物，将混合物经洗涤、在烘箱中干燥后，制得改性氮掺杂活性炭；
其中混酸包括浓硝酸和浓硫酸，浓硝酸和浓硫酸的体积比为1:1；混酸与预处理活性炭的比例为10:1mL/g；
溶剂热反应的温度为80℃，反应时间为10h，干燥的温度为80℃。
S2，将改性氮掺杂活性炭置于溶剂中经超声均匀分散后得到改性氮掺杂活性碳浓度为100g/L±1g/L的悬浊液，向悬浊液中加入27ml质量浓度为50％的硝酸铁溶液，持续搅拌充分混匀；再通过KOH溶液调节pH至9，并搅拌均匀后，置于烘箱中在60℃下干燥12h后得到固相物；
S3，将固相物置于管式炉中，在N2氛围下，以5℃/min的升温速率升温至400℃，反应3h后，得到5％Fe/N-AC脱硫剂(5％Fe表示脱硫剂中Fe2O3的质量分数为5％)。
该氮掺杂活性炭基脱硫剂中N-AC含量为95％，金属氧化物(Fe2O3)含量为5％。
上述制备的5％Fe/N-AC脱硫剂在4000h-1、50℃条件下脱除羰基硫和硫化氢的混合气中含硫污染物测试其脱硫性能，发现含硫污染物的脱除率大于97％。
实施例7
S1，制备改性氮掺杂活性碳，具体包括以下步骤：
S11，活性炭预处理，将活性炭经研磨、水洗、烘干、酸洗得到洁净活性炭，洁净活性炭再经过抽滤、水洗至中性后，在烘箱中烘干得到预处理活性炭；
S12，制备氮掺杂活性炭，将预处理活性炭与氮源按质量比为1:1充分混合，在惰性气体氛围下煅烧得到氮掺杂活性炭；
其中氮源选自三聚氰胺、尿素、色氨酸、丝氨酸；惰性气体采用氮气或氩气；煅烧过程中升温速率为10℃/min，煅烧温度为700℃，煅烧时间为3h。
S13，制备改性氮掺杂活性炭，将氮掺杂活性炭置于烧杯中，在搅拌条件下缓慢加入混酸进行改性，改性过程中持续搅拌，便于氮掺杂活性炭分散均匀，然后通过溶剂热反应后过滤得到沉淀物，将混合物经洗涤、在烘箱中干燥后，制得改性氮掺杂活性炭；
其中混酸包括浓硝酸和浓硫酸，浓硝酸和浓硫酸的体积比为1:1；混酸与预处理活性炭的比例为10:1mL/g；
溶剂热反应的温度为80℃，反应时间为10h，干燥的温度为80℃。
S2，将改性氮掺杂活性炭置于溶剂中经超声均匀分散后得到改性氮掺杂活性碳浓度为100g/L±1g/L的悬浊液，向悬浊液中加入27ml质量浓度为50％的硝酸铁溶液，持续搅拌充分混匀；再通过KOH溶液调节pH至9，并搅拌均匀后，置于烘箱中在60℃下干燥12h后得到固相物；
S3，将固相物置于管式炉中，在N2氛围下，以5℃/min的升温速率升温至400℃，反应3h后，得到5％Fe/N-AC脱硫剂(5％Fe表示脱硫剂中Fe2O3的质量分数为5％)。
该氮掺杂活性炭基脱硫剂中N-AC含量为95％，金属氧化物(Fe2O3)含量为5％。
上述制备的5％Fe/N-AC脱硫剂在5000h-1、50℃条件下脱除羰基硫和硫化氢的混合气中含硫污染物测试其脱硫性能，发现含硫污染物的脱除率大于94％。
实施例8
S1，制备改性氮掺杂活性碳，具体包括以下步骤：
S11，活性炭预处理，将活性炭经研磨、水洗、烘干、酸洗得到洁净活性炭，洁净活性炭再经过抽滤、水洗至中性后，在烘箱中烘干得到预处理活性炭；
S12，制备氮掺杂活性炭，将预处理活性炭与氮源按质量比为1:1充分混合，在惰性气体氛围下煅烧得到氮掺杂活性炭；
其中氮源采用三聚氰胺；惰性气体采用氮气或氩气；煅烧过程中升温速率为10℃/min，煅烧温度为700℃，煅烧时间为3h。
S13，制备改性氮掺杂活性炭，将氮掺杂活性炭置于烧杯中，在搅拌条件下缓慢加入混酸进行改性，改性过程中持续搅拌，便于氮掺杂活性炭分散均匀，然后通过溶剂热反应后过滤得到沉淀物，将混合物经洗涤、在烘箱中干燥后，制得改性氮掺杂活性炭；
其中混酸包括浓硝酸和浓硫酸，浓硝酸和浓硫酸的体积比为2:1；混酸与预处理活性炭的比例为10:1mL/g；
溶剂热反应的温度为80℃，反应时间为10h，干燥的温度为80℃。
S2，将改性氮掺杂活性炭置于溶剂中经超声均匀分散后得到改性氮掺杂活性碳浓度为100g/L±1g/L的悬浊液，向悬浊液中加入27ml质量浓度为50％的硝酸铁溶液，持续搅拌充分混匀；再通过KOH溶液调节pH至9，并搅拌均匀后，置于烘箱中在60℃下干燥12h后得到固相物；
S3，将固相物置于管式炉中，在N2氛围下，以5℃/min的升温速率升温至400℃，反应3h后，得到5％Fe/N-AC脱硫剂(5％Fe表示脱硫剂中Fe2O3的质量分数为5％)。
该氮掺杂活性炭基脱硫剂中N-AC含量为95％，金属氧化物(Fe2O3)含量为5％。
上述制备的5％Fe/N-AC脱硫剂在6000h-1、50℃条件下脱除羰基硫和硫化氢的混合气中含硫污染物测试其脱硫性能，发现含硫污染物的脱除率大于91％。
实施例9
S1，制备改性氮掺杂活性碳，具体包括以下步骤：
S11，活性炭预处理，将活性炭经研磨、水洗、烘干、酸洗得到洁净活性炭，洁净活性炭再经过抽滤、水洗至中性后，在烘箱中烘干得到预处理活性炭；
S12，制备氮掺杂活性炭，将预处理活性炭与氮源按质量比为1:1充分混合，在惰性气体氛围下煅烧得到氮掺杂活性炭；
其中氮源采用三聚氰胺；惰性气体采用氮气或氩气；煅烧过程中升温速率为10℃/min，煅烧温度为700℃，煅烧时间为3h。
S13，制备改性氮掺杂活性炭，将氮掺杂活性炭置于烧杯中，在搅拌条件下缓慢加入混酸进行改性，改性过程中持续搅拌，便于氮掺杂活性炭分散均匀，然后通过溶剂热反应后过滤得到沉淀物，将混合物经洗涤、在烘箱中干燥后，制得改性氮掺杂活性炭；
其中混酸包括浓硝酸和浓硫酸，浓硝酸和浓硫酸的体积比为2:1；混酸与预处理活性炭的比例为10:1mL/g；
溶剂热反应的温度为80℃，反应时间为10h，干燥的温度为80℃。
S2，将改性氮掺杂活性炭置于溶剂中经超声均匀分散后得到改性氮掺杂活性碳浓度为100g/L±1g/L的悬浊液，向悬浊液中加入27ml质量浓度为50％的硝酸铁溶液，持续搅拌充分混匀；再通过KOH溶液调节pH至9，并搅拌均匀后，置于烘箱中在60℃下干燥12h后得到固相物；
S3，将固相物置于管式炉中，在N2氛围下，以5℃/min的升温速率升温至400℃，反应3h后，得到5％Fe/N-AC脱硫剂(5％Fe表示脱硫剂中Fe2O3的质量分数为5％)。
该氮掺杂活性炭基脱硫剂中N-AC含量为95％，金属氧化物(Fe2O3)含量为5％。
上述制备的5％Fe/N-AC脱硫剂在3000h-1、60℃条件下脱除羰基硫和硫化氢的混合气中含硫污染物测试其脱硫性能，发现含硫污染物的脱除率为100％。
实施例10
S1，制备改性氮掺杂活性碳，具体包括以下步骤：
S11，活性炭预处理，将活性炭经研磨、水洗、烘干、酸洗得到洁净活性炭，洁净活性炭再经过抽滤、水洗至中性后，在烘箱中烘干得到预处理活性炭；
S12，制备氮掺杂活性炭，将预处理活性炭与氮源按质量比为1:1充分混合，在惰性气体氛围下煅烧得到氮掺杂活性炭；
其中氮源采用三聚氰胺；惰性气体采用氮气或氩气；煅烧过程中升温速率为10℃/min，煅烧温度为700℃，煅烧时间为3h。
S13，制备改性氮掺杂活性炭，将氮掺杂活性炭置于烧杯中，在搅拌条件下缓慢加入混酸进行改性，改性过程中持续搅拌，便于氮掺杂活性炭分散均匀，然后通过溶剂热反应后过滤得到沉淀物，将混合物经洗涤、在烘箱中干燥后，制得改性氮掺杂活性炭；
其中混酸包括浓硝酸和浓硫酸，浓硝酸和浓硫酸的体积比为1:1；混酸与预处理活性炭的比例为10:1mL/g；
溶剂热反应的温度为80℃，反应时间为10h，干燥的温度为80℃。
S2，将改性氮掺杂活性炭置于溶剂中经超声均匀分散后得到改性氮掺杂活性碳浓度为100g/L±1g/L的悬浊液，向悬浊液中加入27ml质量浓度为50％的硝酸铁溶液，持续搅拌充分混匀；再通过KOH溶液调节pH至9，并搅拌均匀后，置于烘箱中在60℃下干燥12h后得到固相物；
S3，将固相物置于管式炉中，在N2氛围下，以5℃/min的升温速率升温至200℃，反应3h后，得到5％Fe/N-AC脱硫剂(5％Fe表示脱硫剂中Fe2O3的质量分数为5％)。
该氮掺杂活性炭基脱硫剂中N-AC含量为95％，金属氧化物(Fe2O3)含量为5％。
上述制备的5％Fe/N-AC脱硫剂在3000h-1、50℃条件下脱除羰基硫和硫化氢的混合气中含硫污染物测试其脱硫性能，发现含硫污染物的脱除率大于80％。
实施例11
S1，制备改性氮掺杂活性碳，具体包括以下步骤：
S11，活性炭预处理，将活性炭经研磨、水洗、烘干、酸洗得到洁净活性炭，洁净活性炭再经过抽滤、水洗至中性后，在烘箱中烘干得到预处理活性炭；
S12，制备氮掺杂活性炭，将预处理活性炭与氮源按质量比为1:1充分混合，在惰性气体氛围下煅烧得到氮掺杂活性炭；
其中氮源采用三聚氰胺；惰性气体采用氮气或氩气；煅烧过程中升温速率为10℃/min，煅烧温度为700℃，煅烧时间为3h。
S13，制备改性氮掺杂活性炭，将氮掺杂活性炭置于烧杯中，在搅拌条件下缓慢加入混酸进行改性，改性过程中持续搅拌，便于氮掺杂活性炭分散均匀，然后通过溶剂热反应后过滤得到沉淀物，将混合物经洗涤、在烘箱中干燥后，制得改性氮掺杂活性炭；
其中混酸包括浓硝酸和浓硫酸，浓硝酸和浓硫酸的体积比为2:1；混酸与预处理活性炭的比例为10:1mL/g；
溶剂热反应的温度为80℃，反应时间为10h，干燥的温度为80℃。
S2，将改性氮掺杂活性炭置于溶剂中经超声均匀分散后得到改性氮掺杂活性碳浓度为100g/L±1g/L的悬浊液，向悬浊液中加入27ml质量浓度为50％的硝酸铁溶液，持续搅拌充分混匀；再通过KOH溶液调节pH至9，并搅拌均匀后，置于烘箱中在60℃下干燥12h后得到固相物；
S3，将固相物置于管式炉中，在N2氛围下，以5℃/min的升温速率升温至600℃，反应3h后，得到5％Fe/N-AC脱硫剂(5％Fe表示脱硫剂中Fe2O3的质量分数为5％)。
该氮掺杂活性炭基脱硫剂中N-AC含量为95％，金属氧化物(Fe2O3)含量为5％。
上述制备的5％Fe/N-AC脱硫剂在4000h-1、50℃条件下脱除羰基硫和硫化氢的混合气中含硫污染物测试其脱硫性能，发现含硫污染物的脱除率大于85％。
实施例12
S1，制备改性氮掺杂活性碳，具体包括以下步骤：
S11，活性炭预处理，将活性炭经研磨、水洗、烘干、酸洗得到洁净活性炭，洁净活性炭再经过抽滤、水洗至中性后，在烘箱中烘干得到预处理活性炭；
S12，制备氮掺杂活性炭，将预处理活性炭与氮源按质量比为1:4充分混合，在惰性气体氛围下煅烧得到氮掺杂活性炭；
其中氮源采用三聚氰胺；惰性气体采用氮气或氩气；煅烧过程中升温速率为1℃/min，煅烧温度为700℃，煅烧时间为1h。
S13，制备改性氮掺杂活性炭，将氮掺杂活性炭置于烧杯中，在搅拌条件下缓慢加入混酸进行改性，改性过程中持续搅拌，便于氮掺杂活性炭分散均匀，然后通过溶剂热反应后过滤得到沉淀物，将混合物经洗涤、在烘箱中干燥后，制得改性氮掺杂活性炭；
其中混酸包括浓硝酸和浓硫酸，浓硝酸和浓硫酸的体积比为1:3；混酸与预处理活性炭的比例为10:1mL/g；
溶剂热反应的温度为60℃，反应时间为8h，干燥的温度为60℃。
S2，将改性氮掺杂活性炭置于溶剂中经超声均匀分散后得到改性氮掺杂活性碳浓度为100g/L±1g/L的悬浊液，向悬浊液中加入27ml质量浓度为50％的硝酸铁溶液，持续搅拌充分混匀；再通过KOH溶液调节pH至8，并搅拌均匀后，置于烘箱中在60℃下干燥12h后得到固相物；
S3，将固相物置于管式炉中，在N2氛围下，以1℃/min的升温速率升温至400℃，反应1h后，得到5％Fe/N-AC脱硫剂(5％Fe表示脱硫剂中Fe2O3的质量分数为5％)。
该氮掺杂活性炭基脱硫剂中N-AC含量为95％，金属氧化物(Fe2O3)含量为5％。
上述制备的5％Fe/N-AC脱硫剂在3000h-1、50℃条件下脱除羰基硫和硫化氢的混合气中含硫污染物测试其脱硫性能，发现含硫污染物的脱除率大于70％。
实施例13
S1，制备改性氮掺杂活性碳，具体包括以下步骤：
S11，活性炭预处理，将活性炭经研磨、水洗、烘干、酸洗得到洁净活性炭，洁净活性炭再经过抽滤、水洗至中性后，在烘箱中烘干得到预处理活性炭；
S12，制备氮掺杂活性炭，将预处理活性炭与氮源按质量比为4:1充分混合，在惰性气体氛围下煅烧得到氮掺杂活性炭；
其中氮源采用三聚氰胺；惰性气体采用氮气或氩气；煅烧过程中升温速率为10℃/min，煅烧温度为700℃，煅烧时间为3h。
S13，制备改性氮掺杂活性炭，将氮掺杂活性炭置于烧杯中，在搅拌条件下缓慢加入混酸进行改性，改性过程中持续搅拌，便于氮掺杂活性炭分散均匀，然后通过溶剂热反应后过滤得到沉淀物，将混合物经洗涤、在烘箱中干燥后，制得改性氮掺杂活性炭；
其中混酸包括浓硝酸和浓硫酸，浓硝酸和浓硫酸的体积比为3:1；混酸与预处理活性炭的比例为30:1mL/g；
溶剂热反应的温度为100℃，反应时间为10h，干燥的温度为80℃。
S2，将改性氮掺杂活性炭置于溶剂中经超声均匀分散后得到改性氮掺杂活性碳浓度为100g/L±1g/L的悬浊液，向悬浊液中加入27ml质量浓度为50％的硝酸铁溶液，持续搅拌充分混匀；再通过KOH溶液调节pH至11，并搅拌均匀后，置于烘箱中在80℃下干燥12h后得到固相物；
S3，将固相物置于管式炉中，在N2氛围下，以10℃/min的升温速率升温至500℃，反应4h后，得到5％Fe/N-AC脱硫剂(5％Fe表示脱硫剂中Fe2O3的质量分数为5％)。
该氮掺杂活性炭基脱硫剂中N-AC含量为95％，金属氧化物(Fe2O3)含量为5％。
上述制备的5％Fe/N-AC脱硫剂在3000h-1、50℃条件下脱除羰基硫和硫化氢的混合气中含硫污染物测试其脱硫性能，发现含硫污染物的脱除率大于75％。
对比例1
(1)将无氮掺杂的活性炭置于溶剂中经超声均匀分散后得到活性炭浓度为100g/L±1g/L的悬浊液，向悬浊液中加入126ml质量浓度为50％质量浓度的硝酸铁溶液，持续搅拌充分混匀；再通过KOH溶液调节pH至11，并搅拌均匀后，置于烘箱中在60℃下干燥12h得到固相物；
(2)将固相物置于管式炉中，在N2氛围下，以5℃/min的升温速率升温至400℃，反应3h，得到20％Fe/AC脱硫剂(20％Fe表示脱硫剂中Fe2O3的质量分数为20％)；
(3)将所制备的20％Fe/AC脱硫剂在3000h-1、50℃条件下脱除羰基硫和硫化氢的混合气的含硫污染物测试其脱硫性能，发现含硫污染物脱除率大于45％。
对比例2
(1)将无氮掺杂的活性炭置于溶剂中经超声均匀分散后得到活性炭浓度为100g/L±1g/L的悬浊液，向悬浊液中加入27ml质量浓度为50％质量浓度的硝酸铁溶液，持续搅拌充分混匀；再通过KOH溶液调节pH至9，并搅拌均匀后，置于烘箱中在60℃下干燥12h得到固相物；
(2)将固相物置于管式炉中，在N2氛围下，以5℃/min的升温速率升温至400℃，反应3h，得到5％Fe/AC脱硫剂(5％Fe表示脱硫剂中Fe2O3的质量分数为5％)；
(3)将所制备的5％Fe/AC脱硫剂在3000h-1、50℃条件下脱除羰基硫和硫化氢的混合气的含硫污染物测试其脱硫性能，发现含硫污染物脱除率大于60％。
结合实施例1～5，按制备的金属氧化物的含量为梯次，随着金属氧化物含量从1％到5％再到20％的过程中，脱硫率先增加后减小，同等条件下脱硫率达到65％以上，尤其金属氧化物的含量以1～15％为佳，脱硫率达到80％以上，其中金属氧化物的含量为5％时，脱硫效果最佳，而金属氧化物的含量为20％时，脱硫效果最差，主要由于氮掺杂的活性炭负载过多的金属氧化物会占据催化剂表面的活性位，阻碍了羰基硫与活性组分的接触；结合实施例2以及实施例6～8，进行脱硫处理时，控制混合气体的空速不同，其他条件相同时，脱硫率在91～98％之间，以空速为3000h-1最佳，随着空速的升高，脱硫率逐步减小；实施例9的条件下制备的脱硫剂脱硫效果最佳，达到100％；结合实施例1～13，本发明制备的氮掺杂活性炭基脱硫剂能够脱除羰基硫和硫化氢的混合气，尤其是高炉煤气中的含硫污染物，而且该脱硫剂失活后，无需进行任何处理，可直接与烧结料混合用于钢铁冶炼。结合对比1以及实施例2、对比例2以及实施例5，充分表明在同等条件下，氮掺杂活性炭基脱硫剂比无氮掺杂的活性炭基脱硫剂脱硫效果更好。
综上所述，上述实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (11)
1.一种氮掺杂活性炭基脱硫剂，其特征在于，包括按质量百分数计的如下成分：
改性氮掺杂活性炭，80％～99％；
金属氧化物，1％～20％；
其中，所述金属氧化物选自铁的氧化物、铜的氧化物、镍的氧化物、钴的氧化物、锌的氧化物以及镧系金属的氧化物中的一种或多种。
2.如权利要求1所述的氮掺杂活性炭基脱硫剂，其特征在于，所述改性氮掺杂活性炭采用如下方法制备：
S11，活性炭预处理，将所述活性炭经研磨、水洗、烘干、酸洗得到洁净活性炭，所述洁净活性炭再经抽滤、水洗至中性、烘干后得到预处理活性炭；
S12，制备氮掺杂活性炭，将所述预处理活性炭与氮源充分混合后，在惰性气体氛围下煅烧得到氮掺杂活性炭；
S13，制备改性氮掺杂活性炭，将氮掺杂活性炭在搅拌条件下加入混酸进行改性，通过溶剂热反应后过滤得到沉淀物，将混合物经洗涤、干燥后制得改性氮掺杂活性炭。
3.如权利要求2所述的氮掺杂活性炭基脱硫剂，其特征在于，所述步骤S12中，所述预处理活性炭与所述氮源的质量比为1:4～4:1；和/或
所述氮源选自三聚氰胺、尿素、色氨酸、丝氨酸中的一种。
4.如权利要求2所述的氮掺杂活性炭基脱硫剂，其特征在于，所述步骤S12中，所述惰性气体选自氮气或氩气；和/或
所述煅烧过程中升温速率为1～10℃/min，煅烧温度为200～700℃，煅烧时间为1～5h。
5.如权利要求2所述的氮掺杂活性炭基脱硫剂，其特征在于，所述步骤S13中，
所述混酸包括浓硝酸和浓硫酸，所述浓硝酸和浓硫酸的体积比为1:3～3:1；所述混酸与所述预处理活性炭的比例为10:1～30:1mL/g；和/或
所述溶剂热反应的温度为60～100℃，反应时间为8～10h，所述干燥的温度为60～80℃。
6.一种如权利要求1～5所述的氮掺杂活性炭基脱硫剂的制备方法，其特征在于，以改性氮掺杂活性炭为载体，以金属盐为活性组分的原料，通过在惰性气体氛围下煅烧而成。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1，制备改性氮掺杂活性碳；
S2，将改性氮掺杂活性炭置于溶剂中通过超声均匀分散后得到悬浊液，向所述悬浊液中加入金属盐溶液充分混匀，再通过碱调节pH至8～11后，烘干得到固相物；
S3，将所述固相物在惰性气体氛围下煅烧，得到氮掺杂活性炭基脱硫剂。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述悬浊液中，所述改性氮掺杂活性碳的浓度为100g/L±1g/L；和/或
所述金属盐选自铁盐、铜盐、镍盐、钴盐、锌盐以及镧系金属盐中的一种或多种；和/或
所述碱采用氢氧化钠或氢氧化钾；和/或
所述烘干的温度为60～80℃。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，
所述惰性气体采用氮气或氩气；
所述煅烧的升温速率为1～10℃/min，所述煅烧温度为200～700℃，所述反应时间为1～5h。
10.一种如权利要求1～5所述的氮掺杂活性炭基脱硫剂在脱除羰基硫和硫化氢的混合气中应用。
11.如权利要求10所述的应用，其特征在于，所述混合气的空速为3000～6000h-1，反应温度为50～80℃。
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