活性炭脱硫剂及其制备方法和应用pdf

2025-01-19 业务领域

产品概述

本发明公开一种活性炭脱硫剂以及其制备方法和应用，属于气体净化与脱硫技术领域。所述活性炭脱硫剂通过将活性炭浸渍到硝酸溶液中通过干燥和焙烧获得，所述活性炭脱硫剂的表面含有含氧官能团和含氮物种。活性炭脱硫剂的表面含有羧基、酯基、醌基、酮基和羟基等含氧官能团以及吡啶氮、吡咯氮和石墨烯氮等含氮物种。含氧官能团的作用在于为H2S氧化提供氧源；含氮物种的作用一方面在于提供碱性位点，促进脱硫过程中H2S的解离；另一方面在于激发活性炭表面的含氧官能团，使其具有氧化H2S的能力。脱硫剂的最高硫容可达300mg/g。

1.一种活性炭脱硫剂，其中所述活性炭脱硫剂通过将活性炭浸渍到硝酸溶液中通过干

所述含氧官能团包括羧基、酯基、醌基、酮基和羟基中的至少一种或它们的任意组合。

6.一种活性炭脱硫剂的制备方法，所述活性炭脱硫剂是依据权利要求1‑5中任一项所

(3)将干燥后的活性炭在N或Ar气氛下升温至300‑600℃，焙烧2‑3h，升温速率为1‑2℃/

在步骤(1)中，活性炭：硝酸的比例为1g：1‑3ml，硝酸溶液的浓度为4‑12mol/L。

10.一种活性炭脱硫剂脱除HS的应用，所述活性炭脱硫剂是依据权利要求1‑5中任一项

所述的活性炭脱硫剂，或依据权利要求6‑9中任一项所述的活性炭脱硫剂的制备方法制备

的活性炭脱硫剂，所述活性炭脱硫剂在无氧气氛下通过自身的含氧官能团作为氧源，含氮

物种和含氧官能团同时引入到活性炭脱硫剂的表面上，其中含氧官能团在于为HS氧化提

供氧源；含氮物种的作用在于提供碱性位点和激发活性炭表面的含氧官能团，使其具有氧

[0001]本发明涉及气体净化与脱硫技术领域，尤其涉及一种活性炭脱硫剂及其制备方法

[0002]随着我们国家双碳目标的不断推进，煤、石油、天然气等传统化石能源急需寻找创新利

用方式实现其清洁、高效、低碳利用。然而化石能源中由于硫杂质的存在，在其清洁高效利

用过程中不可避免的会产生硫化物，主要以HS为主。H2S是一种具有臭鸡蛋气味的毒性和

腐蚀性气体，它不仅会腐蚀管路、毒害下游催化剂，给工业生产造成安全风险隐患和经济损失，

[0003]活性炭是工业上常用的一种常温干法脱硫剂，具有较高的脱硫效率，但目前工业

上所用的活性炭脱硫剂大都需要在含氧气气氛下才能发挥脱硫功能，而在无氧气氛下其脱

硫性能极低。煤制气和天然气等化石原料气体大都为含有微量氧或无氧的还原性气体，若

使用活性炭脱硫剂需额外补充氧气。氧气的补入不仅增加了工业生产的安全风险隐患，若后续

工艺需在无氧气氛下进行时还需对原料气进行脱氧处理，这将会大幅度的增加工业生产成本。

[0004]本发明的目的是至少部分地解决上述的技术问题，旨在提供一种活性炭脱硫剂

[0005]在本发明的一个方面中，提供了一种活性炭脱硫剂，其中所述脱硫剂通过将活性

炭浸渍到硝酸溶液中通过干燥和焙烧获得，所述活性炭脱硫剂的表面含有含氧官能团和含

[0006]在一些实施例中，所述含氧官能团包括羧基、酯基、醌基、酮基和羟基中的至少一

[0007]在一些实施例中，所述含氮物种包括吡啶氮以及吡啶氮与吡咯氮和石墨烯氮中的

[0008]在一些实施例中，所述含氮物种通过焙烧引入到活性炭的骨架结构中。

[0009]在一些实施例中，通过将活性炭浸渍到硝酸溶液中把含氧官能团和含氮物种引入

[0010]在本发明的另一方面中，提供了一种活性炭脱硫剂的制备方法，所述活性炭脱硫

[0011](1)将颗粒状的活性炭浸渍到适量的硝酸溶液中，静置2‑3h；

[0013](3)将干燥后的活性炭在N或Ar气氛下升温至300‑600℃，焙烧2‑3h，升温速率为

[0014]在一些实施例中，在步骤(1)中，活性炭：硝酸的比例为1g：1‑3ml，硝酸溶液的浓度

[0015]在一些实施例中，在步骤(2)中，将硝酸浸渍后的活性炭置于烘箱中进行干燥。

[0016]在一些实施例中，在步骤(3)中，将干燥后的活性炭置于管式炉中进行焙烧。

[0017]在本发明的另一方面中，提供了一种活性炭脱硫剂脱除HS的应用，所述活性炭脱

硫剂是上述的活性炭脱硫剂，或上述的活性炭脱硫剂的制备方法制备的活性炭脱硫剂，所

述活性炭脱硫剂在无氧气氛下通过自身的含氧官能团作为氧源，含氮物种和含氧官能团同

时引入到活性炭脱硫剂的表面上，其中含氧官能团在于为HS氧化提供氧源；含氮物种的作

用在于提供碱性位点和激发活性炭表面的含氧官能团，使其具有氧化HS的能力。

[0018]根据本发明实施例所述的活性炭脱硫剂及其制备方法和应用具有以下优点中的

[0019]将活性炭浸渍到硝酸溶液中，然后通过加热干燥、惰性气氛下焙烧等工艺得到活

性炭脱硫剂，活性炭脱硫剂的表面含有羧基、酯基、醌基、酮基和羟基等含氧官能团以及吡

啶氮、吡咯氮和石墨烯氮等含氮物种。含氧官能团的作用在于为HS氧化提供氧源；含氮物

种的作用一方面在于提供碱性位点，促进脱硫过程中HS的解离；另一方面在于激发活性炭

表面的含氧官能团，使其具有氧化HS的能力。脱硫剂的最高硫容可达300mg/g。

[0020]本发明非常适合于煤制气、天然气、沼气和合成气等含有微量氧或无氧工业气体

[0021]本发明的这些和/或别的方面和优点从下面结合附图对优选实施例的描述中将变

[0022]图1是根据本发明的一个实施例所述的活性炭脱硫剂的制备方法的流程示意图。

[0023]下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明

书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的

说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

[0024]本发明的发明目的主要是针对常温条件下活性炭在无氧气氛下脱硫活性差的问题，

[0025]本发明的实施例所述的脱硫剂是通过将活性炭浸渍到硝酸溶液中，然后通过加热

干燥、惰性气氛下焙烧后等工艺得到，其中脱硫剂的表面含有羧基、酯基、醌基、酮基和羟基

[0026]参见图1，根据本发明的一个实施例的活性炭脱硫剂的制备方法的技术实施方案

[0027](1)将颗粒状的活性炭浸渍到适量的硝酸溶液中，静置2‑3h。其中活性炭：硝酸的

[0029](3)将步骤(2)中干燥后的活性炭(例如置于管式炉中)，在N或Ar气氛下升温至

[0030]本发明的实施例所制备的活性炭脱硫剂表面含有羧基、酯基、醌基、酮基和羟基等

含氧官能团以及吡啶氮、吡咯氮和石墨烯氮等含氮物种。本发明的制备过程中步骤(3)的焙

烧温度要严格把控。将活性炭浸渍到硝酸溶液中的目的是将含氧官能团和含氮物种引入到

活性炭表面，然后通过焙烧将含氮物种嵌入到活性炭骨架结构中。焙烧温度太低，含氮物种

无法嵌入到活性炭的骨架结构中，也就无法激发活性炭表面的含氧官能团氧化HS。焙烧温

度过高，活性炭表面的含氧官能团会部分发生分解，减少表面含氧官能团的数量，进而导致

[0031]本发明制备的活性炭脱硫剂，其脱硫性能通过动态固定床来测试。具体操作如

下：将制备的脱硫剂研磨筛分，选取颗粒粒径为40‑60目的脱硫剂装填于U型石英管微反应

器内，反应器内径为6mm，样品装填高度为2cm。实验开始前，用湿N吹扫样品2h进行预湿(N

以鼓泡的方式通过水饱和器)，HS和N混合气体经气体混合器充分混合后以鼓泡的方式通

过水饱和器，然后通入U型管反应器。进气口硫化氢浓度为850mg/m，气体流量为100ml/

min，实验温度为30℃，实验压力为常压。出气口硫化氢浓度为0.15mg/m时停止实验，记录

[0032]本发明制备的脱硫剂主要是针对煤制气、合成气和天然气等无氧工业气体中HS气

体的脱除。脱硫剂对HS的吸附量为150‑300mg/g吸附剂。脱硫剂的脱硫产物主要为单质硫

和少量硫酸盐。本发明中，活性炭表面的含氧官能团和含氮物种两者缺一不可，且含氮物种

必须嵌入到活性炭的骨架结构中。脱硫剂表面的羧基、酯基、醌基、酮基和羟基等含氧官能

团为HS氧化提供氧源，吡啶氮、吡咯氮以及石墨烯氮等含氮物种一方面为HS的解离提供碱

性位点，促进HS的解离，另一方面调变活性炭骨架的电子结构，激发上述表面含氧官能团

[0033]本发明的主要设计要点之一在于所制备活性炭脱硫剂在无氧气氛下通过利用本

身的含氧官能团作为氧源实现了高效脱硫的目的，克服了传统活性炭脱硫剂只能在含氧气

氛下脱硫的缺点，极大地拓宽了活性炭脱硫剂的应用场景范围。其次，本发明通过硝酸浸渍和惰

性气氛焙烧等工艺实现了氮物种和氧物种同时引入到活性炭表面，避免了添加尿素、双氰

[0035]将5g活性炭颗粒浸渍到10ml硝酸溶液中，硝酸溶液的浓度为8mol/L，在室温中静