活性炭对脱碳液中铁离子的吸附研究

谷 宇，宋美丽，董永花，辛德旺，杨向龙，常素萍

（1.国能宁夏煤业公司煤制油化工质检计量中心，宁夏银川，750411；2.国能宁夏煤业公司煤炭化学工业技术研究院，宁夏银川，750411）

国能宁夏煤业公司400 万t·a-1煤炭间接液化示范项目中，油品合成装置的脱碳液系统采用V2O5作为缓蚀剂，利用V5+的强氧化性，在反应装置的碳钢表面形成一层致密的钝化膜，以阻止碳钢的阳极化过程，使碳钢的电极电位进入钝化电位区域，以抵抗脱碳液对反应器等装置的腐蚀作用[1]。同时，对铁离子含量、总钒和V5+浓度进行定期监测，根据检测结果，调整脱碳溶液中缓蚀剂的添加量，以确保钝化膜的稳定存在，实现装置的稳定运行。

在运行初期，由于工业杂质等原因，油品合成装置的脱碳溶液中存在铁离子超标的情况。超标的铁离子会与溶液系统中的钒反应生成钒酸铁沉淀，不仅堵塞塔设备填料，造成塔阻力增大，而且不利于脱碳液中铁离子的稳定监测和控制，对设备安全构成隐患。由于活性炭表面带微弱电荷，会与水中的铁离子等金属离子产生离子交换吸附和络合反应，吸附效果好，且成本低，吸附操作简单，因此常采取加入活性炭进行吸附处理的措施，来降低脱碳液中铁离子的含量[2]。

为了筛选出吸附效果更好的活性炭，本文搜集了国内外10 个厂家13 个牌号的活性炭产品，采用静态吸附法，系统研究了外观形态、吸附时间、吸附温度对活性炭吸附效果的影响，并对吸附后的活性炭粉化率进行了对比评价，以期为工业生产中活性炭的选择和应用提供数据支持。

1 实验部分

1.1 实验设备与试剂

Agilent Cary 60 型，紫外可见分光光度计，DK-98-ⅡA 型恒温水浴。

十二水合硫酸铁铵(优级纯)，浓硝酸(分析纯)，盐酸(分析纯)，磺基水杨酸(分析纯)，过氧化氢溶液(分析纯，浓度30%)，磺基水杨酸溶液(10%)，盐酸溶液(1+11)，氨水溶液(1+1)。

市售的进口A 厂家和9 个国产厂家共13 个牌号的活性炭产品，分别记为进口A、国产B-X、国产B-Y、国产C、国产D、国产E-X、国产E-Y、国产F-X、国产F-Y、国产G、国产H、国产I、国产J。

1.2 实验方法

1.2.1 活性炭吸附脱碳液中铁离子

取10L 脱碳贫液作为样品，取上层清液分析初始铁含量。称量30g 不同厂家的活性炭于250mL三角瓶中，加入200mL 溶液，摇动2min。分别吸附24h、48h 和72h，将部分样品用滤纸过滤后，采用磺基水杨酸法，测定取样试管中的铁离子含量，根据式（1）计算活性炭对铁离子的去除率η。

式中，C0为脱碳上层清液中初始铁含量，C吸附为活性炭吸附一定时间后的铁离子含量。

1.2.2 磺基水杨酸法测定铁离子含量

移取样品溶液10mL 于250mL 烧杯中，加8mL过氧化氢溶液，摇匀后放置2min。在电炉上加热5min 除去一部分有机物色泽后，脱碳液由黑色变为亮绿色，自然冷却后加5mL 浓硝酸，加热除去过氧化氢及氮氧化物，小心蒸至近干。加少许水后转移至100mL 容量瓶中定容。取上述溶液10mL 于50mL 容量瓶中，加磺基水杨酸溶液10mL，用氨水溶液中和至淡黄色，再加入1mL 氨水，加水定容后放置10min。于420nm 下比色测定其吸光度，于标准曲线上查出相应的铁含量[3]。

1.2.3 粉化率的测定

取200mL 脱碳贫液于三角烧瓶中，称量30g 活性炭吸附剂放入烧瓶中，玻璃棒搅动5min。常温下保持24h，将含有活性炭颗粒的脱碳贫液用滤纸过滤后，拾取未粉化的活性炭颗粒，剩余滤饼和滤纸在常温下干燥24h。称量干燥后的滤纸和滤饼的质量，根据式（2）计算活性炭的粉化率。

式中，m活性炭为30g 活性炭的质量，m滤纸为滤纸的质量，m干燥后为干燥后的滤纸和滤饼的质量。

2 结果与讨论

2.1 不同厂家活性炭的吸附能力对比

对比分析了常温常压下，不同厂家、不同型号的活性炭对脱碳贫液中铁离子的吸附能力（表1）。可以看出，13 种活性炭吸附剂中，4 种国产的柱状活性炭F-X、F-Y、I-X 和I-Y 对铁离子有较明显的吸附效果，所搜集的粉状和颗粒小球状的活性炭对铁离子的吸附效果不明显。柱状活性炭中，G、H 和J 对铁离子的吸附效果也不明显，可见活性炭的吸附效果与外观形状没有直接的关联，而与活性炭的比表面积和微孔数量等因素有关[4]。

表1 不同厂家的吸附剂吸附不同时间后铁离子含量（常温常压）

2.2 4 种优选的活性炭对铁离子去除率的对比

计算了4 种优选的活性炭在常温常压下对铁离子的去除率η。从表2 和图1 可以看出，4 种优选的活性炭中，国产F-X 对脱碳液中铁离子的吸附能力最强，相同的吸附时间下对铁离子的去除率最高，且72h 内对铁离子的最大去除率达到了25.7%，远远高于其他3 种活性炭。4 种活性炭的吸附曲线随时间的变化趋势略有不同，国产F-Y、I-X 及I-Y 对铁离子的去除率均随吸附时间的延长而逐渐提高，而国产F-X 对铁离子去除率随吸附时间的延长而迅速变大，在48h 达到最大后随时间延长略有降低。

表2 4 种优选活性炭对铁离子的去除率（常温常压）

图1 4 种优选活性炭对铁离子的去除率对比图

2.3 活性炭粉化率的对比研究

对优选出的4 种活性炭在常温常压下吸附后的粉化率进行了分析对比。从图2 可以看出，国产I厂家的2 种活性炭I-X 及I-Y 的粉化率，略低于国产F 厂家的2 种活性炭F-X 及F-Y。活性炭粉化率的不同是其机械强度的不同导致的，在工业应用中，活性炭的粉化率越低，越有利于生产的平稳运行。

图2 不同活性炭的粉化率对比图

2.4 不同吸附温度下活性炭吸附效果的对比

常压下进一步考察了吸附效果最好的活性炭国产F-X 在不同温度下对铁离子的吸附效果，并对铁离子的去除率进行了计算分析。从表3 和图3 可以看出，国产F-X 在不同温度下对铁离子的吸附效果不同，在常温下的吸附效果明显，升温到80℃时，吸附效果大幅下降，对铁离子的最大去除率从25.7%降到5.9%，说明温度对活性炭吸附效果的影响较大。这是由于80℃时，溶液的黏度减小，相互作用的范德华力和化学键力均减弱，分子的运动及碰撞加剧，使得分子对初始位置的偏离增大，促进了溶质分子扩散，从而加速了活性炭孔中先吸附物质的置换，对铁离子的吸附作用减弱[5-6]。

图3 不同温度下活性炭对铁离子的最大去除率

表3 不同温度下吸附不同时间后的铁离子含量（常压）

3 结论

常温常压下，活性炭的吸附效果与外观形状没有直接的关联。13 种活性炭吸附剂中，4 种国产柱状活性炭F-X、F-Y、I-X 和I-Y 对铁离子有较明显的吸附效果，其中国产的F-X 对脱碳液中铁离子的吸附效果最强，I-X 及I-Y 的粉化率略低于F-X 及F-Y。常压下，进一步考察了国产F-X 在不同温度下对铁离子的吸附效果，结果表明不同温度下，国产F-X 对铁离子的吸附效果不同，在常温下的吸附效果明显，升温到80℃时，吸附效果大幅下降，对铁离子的最大去除率从25.7%降到5.9%。本文研究的是常压下的静态吸附效果，实际生产装置中，活性炭的过滤吸附效果受到多个参数如压力、流速、温度、系统中的铁离子浓度等的共同作用和影响，因此需要进一步深入研究动态吸附条件下的吸附效果。