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含硫燃料燃烧后产生的SOx等会严重污染环境并造成酸雨。随着人们对环境的日益重视,国际上对燃料油的硫含量要求越来越严格。传统的加氢脱硫(HDS)虽然能非常有效地脱除大部分硫化物,但是它用于油品深度脱硫时,费用较高,对噻吩类硫化物的脱除效果不理想。目前人们研究的非加氢脱硫技术中,吸附法具有操作条件温和,投资和操作费用低,脱硫效果好,环境污染少等优点,是最有前景的方法之一。
活性炭有着巨大的比表面积和发达的孔隙结构,对油品中的硫化物具有较好的吸附能力。但是它对噻吩类硫化物的吸附量不是很大,仍未能满足工业生产需求。有效测定噻吩类硫化物在活性炭上的相平衡,并探索活性炭表面结构、化学性质和对噻吩类硫化物脱除性能之间的规律,不仅具有重要的科学研究价值,而且具有广泛的应用前景。
本文运用静态吸附法测定不同温度下噻吩类硫化物代表物苯并噻吩和二苯并噻吩在SY-6、SY-13和SY-19三种活性炭上的吸附平衡关系。并测定了活性炭的孔隙结构和活性炭表面官能团含量,探讨了活性炭对苯并噻吩和二苯并噻吩的吸附机理。结果表明:三种活性炭对苯并噻吩吸附容量的顺序为SY-6>SY-19>SY-13,吸附等温线均属于Ⅱ型;对二苯并噻吩吸附能力顺序为SY-6>SY-13>SY-19,吸附等温线都为Ⅰ型。活性炭对苯并噻吩和二苯并噻吩的吸附性能取决于比表面积、孔径和表面含氧基团总量。活性炭孔径越小,对苯并噻吩的吸附性能越好;而比表面积越大,对二苯并噻吩的吸附性能越好。活性炭表面含氧基团含量越多,对这两种噻吩类硫化物的吸附量越大。这些实验结果对于指导吸附技术在油品脱硫领域的应用具有重要意义,这是本文的一个创新之处。
本文在空气的氛围中,利用微波场的作用对活性炭进行改性,测定了不同条件改性后活性炭对苯并噻吩和二苯并噻吩的吸附平衡关系。首次研究了微波辐射功率和辐射时间对活性炭表面结构、表面官能团及脱硫效果的影响,摸索出最佳的微波改性条件。结果表明:在空气氛围下,通过选取适当的微波工作参数,可以在活性炭表面引入更多含氧基团,使活性炭对噻吩类硫化物吸附性能得到提高。同一微波功率下,延长辐射时间,或同一时间下,增大微波功率,改性后活性炭对苯并噻吩和二苯并噻吩的吸附性能变化趋势均呈先上升后下降的形式。在微波功率60W~900W范围内,改性后活性炭的比表面积变化范围在-22%~+20%之间;而表面含氧基团总量变化幅度为-81%~+72%。在功率90W,时间15min的微波工作条件下引入的含氧基团最多。活性炭脱除苯并噻吩和二苯并噻吩性能最佳的改性条件分别为150W,10min和90W,15min。这些结论为表面改性提高活性炭脱硫效果的研究提供了新的思路,是本文的又一新意之处。
本文应用浸渍法在活性炭表面负载不同过渡金属离子(Ag+,Zn2+,Cu2+,Ni2+,Fe3+),测定了苯并噻吩和二苯并噻吩在各负载金属离子活性炭上的吸附等温线,探索了负载金属离子对活性炭脱硫性能的影响,并运用软硬酸碱理论分析造成吸附能力差异的原因。结果表明:活性炭表面负载Ag+,Ni2+,Cu2+或Zn2+离子,可提高活性炭吸附苯并噻吩和二苯并噻吩的能力,而活性炭表面负载Fe3+离子,会降低其吸附性能。这些结论对开发新的活性炭吸附剂具有重要指导意义,是本文对噻吩硫吸附剂表面化学改性研究的新意之处。