SO₂污染是我國嚴(yán)重的環(huán)境問題，已經(jīng)得到了廣泛的重視。在眾多的煙氣脫硫脫氮技術(shù)中，活性炭吸附法是唯一一種能脫除煙氣中多種污染物的方法，其中包括SO₂、NO_x、煙塵粒子、汞、二噁英、呋喃、重金屬、揮發(fā)性有機(jī)物及其他微量元素。發(fā)展此類煙氣脫硫脫氮技術(shù)，控制我國燃煤SO₂和NO_x排放，對(duì)于國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展意義重大。

下面我們一起來了解下，活性炭在火電廠煙氣脫硫脫氮中的應(yīng)用，以及活性炭材料在大氣污染控制中的可用性與發(fā)展前景。

活性炭具有高度發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，因而具有很強(qiáng)的吸附性，加之活性炭表面含有多元含氧官能團(tuán)，所以它既是優(yōu)良的吸附劑，又是催化劑和催化劑載體。

1、活性炭脫硫原理

活性炭對(duì)SO₂的吸附包括物理吸附和化學(xué)吸附。當(dāng)煙氣中無水蒸汽和氧氣存在時(shí)，主要發(fā)生物理吸附，吸附量較小。當(dāng)煙氣中含有足量水蒸汽和氧時(shí)，活性炭法煙氣脫硫是一個(gè)化學(xué)吸附和物理吸附同時(shí)存在的過程。首先發(fā)生的是物理吸附，然后在有水和氧氣存在的條件下將吸附到活性炭表面的SO₂催化氧化為H₂SO₄。長期以來，人們將反應(yīng)的總過程用以下化學(xué)方程式描述：

SO₂+O₂+H₂O→H₂SO₄

2、有H₂O存在時(shí)的活性炭脫硫反應(yīng)過程

活性炭煙氣脫硫法不同于其他的煙氣脫硫技術(shù)，它是以傳統(tǒng)的微孔吸附原理為理論基礎(chǔ)的一門技術(shù)。然而，這種吸附作用與常用的工業(yè)吸附凈化水技術(shù)有很大的區(qū)別，由于涉及到多組分物質(zhì)的吸附傳質(zhì)，使其吸附過程十分復(fù)雜。在有水存在的條件下，在活性炭表面附近、表面、中孔、大孔以及微孔內(nèi)，均可形成水、水蒸汽、SO₂、SO^2-₃、SO^2-₄等多種組分的復(fù)雜混合體，這些分子或離子的存在及其數(shù)量，或可促進(jìn)吸附性能的提高，或可制約活性炭的吸附能力。H₂O的參與從根本上改變了SO₂在炭表面的反應(yīng)機(jī)理，有關(guān)反應(yīng)過程的假設(shè)眾說紛紜。

有人認(rèn)為SO₂和O₂存在競爭活性位的現(xiàn)象，在可能存在的3種氧化反應(yīng)中，只有下式可以順利進(jìn)行：

C-SO₂+O₂+C→C-SO₃+C-O

即只有氣態(tài)的氧才可以與吸附態(tài)的SO₂反應(yīng)。

還有人認(rèn)為H₂O、SO₂和O₂分子可被活性炭吸附，只要它們之間具有足夠近的距離和一定的空間構(gòu)型，彼此之間就可直接反應(yīng)，并生成H₂SO₄。

在這種理論模型中，氧化反應(yīng)式為：

C-SO₂+C-O→C-SO₃+C

上式為反應(yīng)的控制步驟，其余的反應(yīng)步驟則依賴該反應(yīng)的順利與否。

3、活性炭脫氮原理

活性炭脫氮技術(shù)可以分為吸附法、NH₃選擇性催化還原法和熾熱炭還原法。

吸附法是利用活性炭的微孔結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)吸附NO_x，并將反應(yīng)活性較低的NO氧化為反應(yīng)活性較高的NO₂。關(guān)于活性炭吸附NO_x的機(jī)理，研究人員之間還存在較大的分歧。NH₃選擇性催化還原法是利用活性炭吸附NO_x，降低NO_x與NH₃的反應(yīng)活化能，提高NH₃的利用率。

熾熱炭還原法是在高溫下利用炭與NO_x反應(yīng)生成CO₂和N₂優(yōu)點(diǎn)是不需要催化劑，固體炭價(jià)格便宜，來源廣，反應(yīng)生成的熱量可以回收利用。然而動(dòng)力學(xué)研究表明，O₂與炭的反應(yīng)先于NO_x與炭的反應(yīng)，故煙氣中O₂的存在使炭的消耗量增加。

對(duì)活性炭脫硫脫氮的性能和機(jī)理以及SO₂和NO_x在活性炭上競爭吸附的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究。

研究表明：以高純度的SO₂空氣和水蒸汽的混合氣體來模擬實(shí)際工業(yè)煙氣，活性炭對(duì)SO₂的吸附主要是化學(xué)吸附，其脫硫效率大于96%；

以高純度的NO_x、空氣和水蒸汽的混合氣體來模擬實(shí)際工業(yè)煙氣，活性炭對(duì)NO_x的吸附則包括物理吸附和化學(xué)吸附。

在氣流中無SO₂氣體存在的條件下，活性炭具有較高的脫氮效率，當(dāng)活性炭達(dá)到動(dòng)態(tài)吸附平衡時(shí)，脫氮效率大于75%；

以高純度的SO₂、NO₂、空氣和水蒸汽的混合氣體來模擬實(shí)際工業(yè)煙氣，當(dāng)氣流中同時(shí)存在SO₂和NO_x時(shí)，活性炭吸附SO₂的容量及吸附飽和時(shí)間均增加，而脫硫效率、吸附速度和吸附帶長度則變化很小。由于物理吸附的NO被SO₂置換解析，活性炭吸附NO_x的容量和動(dòng)態(tài)吸附平衡時(shí)間急劇下降，脫氮效率很低，NO_x的吸附帶長度增加，吸附速度下降。SO₂和NO_x都不會(huì)單獨(dú)占據(jù)活性吸附中，而是共同存在于活性吸附中。活性炭優(yōu)先選擇性吸附SO₂物理吸附的NO_x被SO₂置換解析。化學(xué)吸附的NO_x能夠促進(jìn)活性炭對(duì)SO₂的吸附。同時(shí)，SO₂也能夠促進(jìn)活性炭對(duì)NO_x的吸附。

4、總結(jié)

目前，活性炭法脫除燃煤煙氣中NO_x還沒有達(dá)到工業(yè)應(yīng)用水平，活性炭吸附NO_x的性能、吸附反應(yīng)機(jī)理，較佳脫氮條件等還有待進(jìn)一步研究。活性炭法煙氣脫硫已有了成功應(yīng)用的實(shí)例，然而仍有許多問題有待研究，例如：溫度、水等對(duì)活性炭吸附性能的影響規(guī)律以及脫硫的較佳條件等。開發(fā)新型活性炭(增加強(qiáng)度和吸附容量)降低活性炭再生的能耗、改善脫附方式、有效提高脫附效率是活性炭吸附法的進(jìn)一步研究方向。