尾氣回收用椰殼活性炭的制取及吸附性能

摘要：采用椰殼為原料，水蒸氣為活化介質(zhì)制備活性炭，用于多晶硅生產(chǎn)尾氣回收凈化。檢測丁烷吸附性能間接反映氯硅烷吸附特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微孔率與丁烷吸附性能沒有明顯關(guān)系，椰殼活性炭孔徑均勻分布利于丁烷吸附，丁烷工作容量較佳吸附孔徑為1.1~5.76nm。比表面積和碘值對丁烷吸附有重要影響，丁烷工作容量和活性變化趨勢基本相同。

多晶硅還原爐尾氣中含有大量未反應(yīng)的原料三氯氫硅和氫氣，對其進行回收利用是降低多晶硅生產(chǎn)成本的主要措施之一。尾氣回收系統(tǒng)中分離出來的氫氣中含有微量的氯化氫、氯硅烷等通過活性炭吸附塔吸附，氯化氫、氯硅烷等大分子物質(zhì)首先被吸附，從而凈化氫氣，氫氣回到還原爐再次使用。由于多晶硅產(chǎn)品對金屬雜質(zhì)及硼、磷含量要求低，煤基活性炭無法滿足潔凈要求，行業(yè)內(nèi)主要采用椰殼活性炭。

1、椰殼活性炭的制取

原料采用東南亞椰殼，采用破碎機將椰殼破碎到一定規(guī)格，作為制備活性炭的原料。椰殼的工業(yè)分析見表1所示。

表1 椰殼的工業(yè)分析/%

取椰殼置于加熱爐中，從室溫升至特定溫度，恒溫進行炭化。達到炭化時間后，通入定量水蒸氣作為活化劑在管式爐中進行活化。改變活化溫度及活化時間，制取5種產(chǎn)品。

2、結(jié)果及分析

2.1椰殼活性炭孔隙結(jié)構(gòu)

椰殼活性炭的氮氣吸脫附分離曲線見圖1所示。5種椰殼活性炭的吸附類型均為I型。I型等溫線反映了椰殼活性炭含有大量的微孔結(jié)構(gòu)，吸附過程中發(fā)生了微孔填充現(xiàn)象，飽和吸附值等于微孔的填充體積。

椰殼活性炭的孔徑根據(jù)QSDFT模型進行計算。椰殼活性炭的孔徑基本分布在5nm以下，椰殼活性炭C的孔徑主要分布在1.5nm以下，而且分布比較集中，其它樣品基本集中在0.5-4nm之間，分布相對比較均勻，椰殼活性炭E曲線明顯高于其它樣品，說明了椰殼活性炭E含有較大的孔容。

椰殼活性炭的性能參數(shù)見表2所示。制備出的椰殼活性炭強度均在97%以上，磷和硼元素含量低，滿足多晶硅尾氣回收系統(tǒng)對粉塵、雜質(zhì)及壓力降要求。

表2 椰殼活性炭性能參數(shù)

2.2椰殼活性炭孔隙結(jié)構(gòu)與丁烷吸附性能

孔徑分布測量顯示椰殼活性炭C孔徑主要是微孔（<2nm），微孔率達到了99.7%。其它椰殼活性炭的孔徑分布比較均勻，含有部分介孔（2~50nm）。活性炭C微孔率較高，但BWCV和BAm較低分別只有4.6g/100mL和20.9%，說明了微孔含量越高，丁烷工作性能不一定越大。椰殼活性炭在孔徑1.1~5.76nm之間孔容含量大小順序為：E>D>B>A>C，BWCV大小順序為：E>B>D>A>C，說明了BWCV吸附較佳孔徑區(qū)間為1.1~5.76nm。

2.3比表面積與丁烷吸附性能

椰殼活性炭的比表面積影響丁烷工作容量，活性炭比表面積與丁烷吸附性能的關(guān)系如圖2所示。隨著椰殼活性炭比表面積的增加，活性BWCV和BAm逐漸加大，當(dāng)比表面積為1220m²/g時，BWCV和BAm達到較大值，分別為6.2g/100mL和26.9%。繼續(xù)加大活性炭比表面積，BWCV和BAm開始減小，說明了椰殼活性炭丁烷吸附性能與活性炭比表面積并不是正相關(guān)，而比表面積又主要是由微孔提供的，說明了在丁烷吸附過程中并不是微孔越發(fā)達越好。

2.4碘值與丁烷吸附性能

椰殼活性炭碘值與丁烷吸附性能如圖3所示。BWCV和BAm隨著椰殼活性炭碘值的增加，兩者變化趨勢基本相同。活性炭碘值增加，BWCV和BAm變大，并在碘值為1128mg/g達到較大值。碘值繼續(xù)加大，丁烷吸附性能呈現(xiàn)出先減小后加大的變化趨勢。此外，椰殼活性炭碘值與丁烷吸附性能不具有明顯的線性關(guān)系，椰殼活性炭碘值不能成為衡量活性炭吸附丁烷性能的標(biāo)準(zhǔn)。

3、結(jié)語

本文采用椰殼為原料制備活性炭用于多晶硅還原爐尾氣回收凈化，并檢測丁烷吸附性能為依據(jù)得出主要結(jié)論如下：

丁烷吸附性能受活性炭孔隙結(jié)構(gòu)影響，微孔率太高不利于丁烷的吸附，BWCV的較佳吸附孔徑為0.79~2.84nm之間。

丁烷吸附性能受到活性炭比表面積和碘值的影響，并且丁烷BWCV和BAm受活性炭比表面積和碘值影響變化趨勢基本相同。此外，不能用碘值和比表面積的大小作為活性炭丁烷吸附性能的指標(biāo)。