钾盐助剂对活性炭甲烷吸附性能及孔结构的影响介绍.doc

钾盐助剂对活性炭甲烷吸附性能及孔结构的影响( 刘 杰，徐卡秋*，罗仕忠，李 通 （四川大学 化学工程学院，四川 成都 610065） 摘要：以石油焦为原料、KOH为主活化剂，在低碱碳比(m(KOH):m(C)=2:1)的条件下制备吸附剂，通过加入助活化剂KCl，K2CO3，CH3COOK，达到引入K+，K2O与基团-O-K+，-CO2K+的目的，考察助活化剂对活性炭吸附甲烷能力的影响，并对样品的孔结构进行分析，讨论了钾盐助剂影响活性炭对甲烷吸附性能的机理。结果表明：加入KCl能够扩张孔径，增加微孔与介孔的体积，对活性炭吸附甲烷有较好的促进作用；加入K2CO3减少孔的生成，不利于活性炭对甲烷的吸附；CH3COOK的加入，对活性炭甲烷吸能力附影响不明显，但能明显增加微孔孔容，提高微孔率。 关键词：甲烷吸附储存；活性炭吸附剂；制备；助剂；孔结构 中图分类号：O647 文献标识码：A 文章编号：1001-9219(2012)01- 随着天然气的广泛应用，天然气吸附储存技术（ANG）受到越来越多的关注[1-5]。研究认为[5-7]，以石油焦为原料，用KOH活化可以制备出对甲烷具有较高吸附性能的超级活性炭。该方法要获得大比表面和孔隙发达的超级活性炭必须使用大量的KOH（m(KOH):m(C)=4:1(5:1）才能实现，这不仅增加了超级活性炭的生产成本，还造成严重的环境污染和设备腐蚀[5-11]。因此，降低活化时碱的用量成为亟待解决的问题。 添加活化助剂是一种降低碱量的有效方法，但研究发现[1112]，其他金属盐的加入主要是对活性炭表面性能和活性炭的结构进行改性，从而提高活性炭对甲烷的吸附能力，但甲烷的吸附主要是依靠发达的微孔结构，因而这种表面改性的方法具有局限性。 邢伟[13]等人通过研究认为，基团K2O，－O-K+与－CO2K+是以径向活化为主的中温活化段的活化剂活性组分，而处于熔融状态的K+则是横向活化为主的高温活化段的催化活性组分。本文通过分别加入KCl，K2CO3和CH3COOK以达到引入K+，K2O，－O-K+与－CO2K+的目的，通过改变预活化段与活化段的作用机制从而改变活性炭的孔结构，提高活性炭对甲烷吸附量；同时考察了钾盐助剂对活性炭孔结构的影响，探讨了不同的钾盐助剂对活性炭辅助作用的机理和活性炭活化过程的机理。 1 实验部分 1.1 实验原料 石油焦：金陵石化厂生产，以JL表示，其元素分析见表1。 表1 石油焦元素分析 元素 C H N O S w /% 87.95 3.76 2.33 2.82 3.14 1.2 吸附剂的制备 吸附剂制备工艺流程如图1所示。石油焦经粉碎后，筛选得到粒径为80目(100目的粉体，作为活化原料。称取一定量的活化原料，按比例m(KOH):m(C):m(H2O)=2:1:2.5同KOH、H2O混合，在镍舟中搅拌至浆状，放入管式炉，在氮气保护下，以8℃/min升温至90℃，停留0.5 h，继续升温至400℃，预活化1 h，再升温至850℃，活化1 h。活化产物在氮气保护下冷却至室温。反应产物依次用水洗、酸洗、水洗至中性，干燥后即得粉状样品。 1.3 样品表征 采用意大利CARLO ERBA 1106元素分析仪对石油焦原料进行元素分析；采用静态吸附法测定吸附剂样品对甲烷的吸附量[1415]；采用N2静态吸附容量法测定吸附剂样品比表面积和孔结构，仪器为Quantachrome公司生产的NOVA1000e吸附仪，吸附质为N2，吸附温度为液氮温度。 2 结果与讨论 2.1 钾盐助剂对甲烷吸附性能的影响 2.1.1 KCl对吸附剂性能的影响 实验结果如表2所示。KCl的加入对吸附剂吸附性能的影响较为明显，说明KCl与KOH对高硫石油焦的活化过程有较好的协同活化作用。随着KCl加入量的不断增加，吸附剂的产率不断下降，甲烷吸附量先增加后减少，并在w(KCl)为20%时达到最大值。甲烷最大吸附量比样品JLK0的吸附量提高了16.7%。 2.1.2 K2CO3对吸附剂性能的影响 K2CO3对吸附性能影响的实验结果见表2。活化物料中加入少量的K2CO3可以提高吸附剂对甲烷的吸附性能。但随着助剂K2CO3的加入量不断增大，吸附剂的收率呈递减趋势，且甲烷吸附量存在最大值，甲烷最大吸附量比未加K2CO3的样品JLK0的吸附量提高了8.8%。 2.1.3 CH3COOK对吸附剂性能的影响 CH3COOK对吸附剂性能的影响见表2。由表2可知，CH3COOK的加入能够使吸附剂的甲烷吸附性能增加。随着CH3COOK加入量的增加，吸附剂的得率变化不大，甲烷吸附量先是呈增加趋势，在w(CH3COOK)为15%时达到最大值9.70 mmol/g，而继续增加CH3COOK加入量，吸附剂的甲烷吸附性