活性炭催化剂对一氧化氮的氧化作用

　　工业烟气中氮氧化物是常见的空气污染物，燃煤产生的烟气中也有。其中一氧化氮可以通过活性炭催化氧化为二氧化氮，通过二氧化氮溶于水的原理来去除。这个过程中的主要过程是选择性催化还原工艺，包括贵金属和活性炭在内的几种催化剂可以催化一氧化氮的氧化。通过与活性炭的物理特性除氧化一氧化氮之外，活性炭催化剂还可将其他污染物氧化为更易溶于水且更易于去除的状态，从而形成了多污染物去除策略。这包括将SO 2转化为SO 3或将元素汞转化为离子汞，并且通过溶解在水中除去。

　　活性炭催化氧化一氧化氮测试条件

　　通过使用活性炭催化剂在环境温度下在干燥或湿润条件下进行一氧化氮的氧化实验。还用空反应器进行基线测试。大多数实验是在环境压力下进行的。然而，一些实验也在高压下进行。对于在大气压下进行的实验，使用内径为1 cm的固定床玻璃管反应器，而对于高压实验，则使用1 cm的不锈钢柱。在反应器后放置一个背压气体调节器，以控制高压实验中的压力。干和湿测试均使用50标准立方厘米/分钟的气体流速。在约4%的氧气存在下，一氧化氮入口浓度为1000±50 ppm(在氮气中)。活性炭催化剂的质量固定为0.5 g，相当于空反应高1.3-2.8 cm。对于惰性材料，使用相似的高度，约等于2 g填料。分析处理过的气体混合物中的NO，NO2，和氮氧化物用化学发光分析器来分析。

　　干燥条件下活性炭催化氧化

　　为了测试活性炭在环境温度下对氧化和去除的催化和吸附性能。这些简化的条件与实际烟气条件大不相同，后者具有不同的成分和杂质，并且在不同的压力和温度下。但是，这些条件使我们能够简化复杂的系统，以更好地了解NO氧化。图中显示了在干燥条件下，环境温度和压力下不同活性炭在NO氧化过程中NO，NO 2和氮氧化物的浓度分布图。NO氧化转化率与运行时间的关系也可以由NO浓度来计算的。还计算了每个给定时间的NO入口和氮氧化物出口浓度之间的差异，并显示为通过吸附去除的氮氧化物量。基线测试代表在相同条件下通过使用无活性炭催化剂的空反应器进行的测试。稳态NO转化率，氮氧化物的累积量吸附，以及所需要的时间，以达到最大的NO浓度或吸附的突然释放NO 2的出口流中还从浓度曲线中获得了这些元素。

　　图1：在环境温度和压力下的干燥测试条件下，不同活性炭在NO氧化过程中一氧化氮的浓度曲线。

　　基线NO氧化结果表明，在没有催化剂的情况下NO转化率为10%，而使用活性炭催化剂时，NO转化率为47-81%。在经过测试的商用活性炭中，带官能团的活性炭NO氧化转化率为74%，大大高于其他经过测试的商用活性炭的47-59%转化率。通过引入氮官能团或用热解碳覆盖活性炭表面，NO氧化性能可提高至80%。

　　高压下活性炭催化氧化

　　通过比较在室温和干燥条件下在大气压力和升高的压力(即120 psig)下活性炭的NO氧化曲线，可以检查压力对NO催化氧化的影响。为了比较在不存在催化剂的情况下催化和非催化NO的氧化，还通过使用空床或填充有惰性填充材料的反应器进行了基准测试。高压测试是在短时间内(即2小时)进行的，这主要是因为与进行较长时间的高压测试相关的操作问题(例如气体流量的波动和质量流量控制器的稳定性)。

　　在大气或高压下没有氧气的情况下进行的基线活性炭测试中吸附的NO，NO 2，氮氧化物和氮氧化物的浓度曲线证实，即使在200 psig的高压下也不会发生NO 2的形成或大量NO的吸附。在没有氧气的情况下，活性炭催化剂上没有NO吸附。即使在200 psig下，NO也无法物理吸附在活性炭表面上，而且氧气的存在也是必不可少的以促进NO在化学吸附的氧位点上的化学吸附。

　　图2：活性炭在干燥测试条件下，环境温度和大气压或无氧(基线)或有氧的情况下，在NO氧化过程中一氧化氮的浓度曲线。

　　活性炭在大气压下对NO的催化转化率为74%，但通过将压力提高至120 psig可实现接近完全的转化，因为活性炭在120 psig下的NO浓度分布在约1小时后接近零。NO和氮氧化物曲线在高压下显示出接近完全的NO转化，其中约94%的NO 2通过吸附到活性炭中而去除。这些结果表明，在干燥条件下，通过在中等压力下使用碳催化剂可以在环境温度下实现接近完全的NO转化。完全的NO转化可能是由于催化氧化和非催化高压氧化的共同作用。

　　关于活性炭对一氧化氮的氧化和去除的吸附性能进行基础研究。在干燥条件下进行的催化氧化实验中的一氧化氮浓度分布图表明，引入氮官能度或用热解碳覆盖活性炭表面可以增强活性炭对NO氧化的催化活性。在大气中存在氧气的情况下，非催化NO氧化可导致约10%的转化率，而将压力提高至217 psig则可将NO转化率大幅提高至62%。相比之下，在干燥条件下，大气压下活性炭催化的NO催化转化率为74%，但通过将压力提高至120 psig，可以实现接近完全的转化。总体而言，具有高比表面积的活性炭表现出高催化活性。