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、NOx、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NOx排放，對于國民經(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，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，活性炭法煙氣脫硫是一個化學(xué)吸附和物理吸附同時存在的過程。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、SO2-3、SO2-4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NOx，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NOx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NOx，降低NOx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NOx反應(yīng)生成CO2和N2優(yōu)點(diǎn)是不需要催化劑，固體炭價格便宜，來源廣，反應(yīng)生成的熱量可以回收利用。然而動力學(xué)研究表明，O2與炭的反應(yīng)先于NOx與炭的反應(yīng)，故煙氣中O2的存在使炭的消耗量增加。
對活性炭脫硫脫氮的性能和機(jī)理以及SO2和NOx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際工業(yè)煙氣，活性炭對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NOx、空氣和水蒸汽的混合氣體來模擬實際工業(yè)煙氣，活性炭對NOx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)到動態(tài)吸附平衡時，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際工業(yè)煙氣，當(dāng)氣流中同時存在SO2和NOx時，活性炭吸附SO2的容量及吸附飽和時間均增加，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NOx的容量和動態(tài)吸附平衡時間急劇下降，脫氮效率很低，NOx的吸附帶長度增加，吸附速度下降。SO2和NOx都不會單獨(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NOx被SO2置換解析。化學(xué)吸附的NOx能夠促進(jìn)活性炭對SO2的吸附。同時，SO2也能夠促進(jìn)活性炭對NOx的吸附。
4、總結(jié)
目前，活性炭法脫除燃煤煙氣中NOx還沒有達(dá)到工業(yè)應(yīng)用水平，活性炭吸附NOx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)用的實例，然而仍有許多問題有待研究，例如：溫度、水等對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。