尾气回收用椰壳活性炭的制取及吸附性能

摘要：采用椰壳为原料，水蒸气为活化介质制备活性炭，用于多晶硅生产尾气回收净化。检测丁烷吸附性能间接反映氯硅烷吸附特性。结果发现，微孔率与丁烷吸附性能没有明显关系，椰壳活性炭孔径均匀分布利于丁烷吸附，丁烷工作容量较佳吸附孔径为1.1~5.76nm。比表面积和碘值对丁烷吸附有重要影响，丁烷工作容量和活性变化趋势基本相同。

多晶硅还原炉尾气中含有大量未反应的原料三氯氢硅和氢气，对其进行回收利用是降低多晶硅生产成本的主要措施之一。尾气回收系统中分离出来的氢气中含有微量的氯化氢、氯硅烷等通过活性炭吸附塔吸附，氯化氢、氯硅烷等大分子物质首先被吸附，从而净化氢气，氢气回到还原炉再次使用。由于多晶硅产品对金属杂质及硼、磷含量要求低，煤基活性炭无法满足洁净要求，行业内主要采用椰壳活性炭。

1、椰壳活性炭的制取

原料采用东南亚椰壳，采用破碎机将椰壳破碎到一定规格，作为制备活性炭的原料。椰壳的工业分析见表1所示。

表1 椰壳的工业分析/%

取椰壳置于加热炉中，从室温升至特定温度，恒温进行炭化。达到炭化时间后，通入定量水蒸气作为活化剂在管式炉中进行活化。改变活化温度及活化时间，制取5种产品。

2、结果及分析

2.1椰壳活性炭孔隙结构

椰壳活性炭的氮气吸脱附分离曲线见图1所示。5种椰壳活性炭的吸附类型均为I型。I型等温线反映了椰壳活性炭含有大量的微孔结构，吸附过程中发生了微孔填充现象，饱和吸附值等于微孔的填充体积。

椰壳活性炭的孔径根据QSDFT模型进行计算。椰壳活性炭的孔径基本分布在5nm以下，椰壳活性炭C的孔径主要分布在1.5nm以下，而且分布比较集中，其它样品基本集中在0.5-4nm之间，分布相对比较均匀，椰壳活性炭E曲线明显高于其它样品，说明了椰壳活性炭E含有较大的孔容。

椰壳活性炭的性能参数见表2所示。制备出的椰壳活性炭强度均在97%以上，磷和硼元素含量低，满足多晶硅尾气回收系统对粉尘、杂质及压力降要求。

表2 椰壳活性炭性能参数

2.2椰壳活性炭孔隙结构与丁烷吸附性能

孔径分布测量显示椰壳活性炭C孔径主要是微孔（<2nm），微孔率达到了99.7%。其它椰壳活性炭的孔径分布比较均匀，含有部分介孔（2~50nm）。活性炭C微孔率较高，但BWCV和BAm较低分别只有4.6g/100mL和20.9%，说明了微孔含量越高，丁烷工作性能不一定越大。椰壳活性炭在孔径1.1~5.76nm之间孔容含量大小顺序为：E>D>B>A>C，BWCV大小顺序为：E>B>D>A>C，说明了BWCV吸附较佳孔径区间为1.1~5.76nm。

2.3比表面积与丁烷吸附性能

椰壳活性炭的比表面积影响丁烷工作容量，活性炭比表面积与丁烷吸附性能的关系如图2所示。随着椰壳活性炭比表面积的增加，活性BWCV和BAm逐渐加大，当比表面积为1220m²/g时，BWCV和BAm达到较大值，分别为6.2g/100mL和26.9%。继续加大活性炭比表面积，BWCV和BAm开始减小，说明了椰壳活性炭丁烷吸附性能与活性炭比表面积并不是正相关，而比表面积又主要是由微孔提供的，说明了在丁烷吸附过程中并不是微孔越发达越好。

2.4碘值与丁烷吸附性能

椰壳活性炭碘值与丁烷吸附性能如图3所示。BWCV和BAm随着椰壳活性炭碘值的增加，两者变化趋势基本相同。活性炭碘值增加，BWCV和BAm变大，并在碘值为1128mg/g达到较大值。碘值继续加大，丁烷吸附性能呈现出先减小后加大的变化趋势。此外，椰壳活性炭碘值与丁烷吸附性能不具有明显的线性关系，椰壳活性炭碘值不能成为衡量活性炭吸附丁烷性能的标准。

3、结语

本文采用椰壳为原料制备活性炭用于多晶硅还原炉尾气回收净化，并检测丁烷吸附性能为依据得出主要结论如下：

丁烷吸附性能受活性炭孔隙结构影响，微孔率太高不利于丁烷的吸附，BWCV的较佳吸附孔径为0.79~2.84nm之间。

丁烷吸附性能受到活性炭比表面积和碘值的影响，并且丁烷BWCV和BAm受活性炭比表面积和碘值影响变化趋势基本相同。此外，不能用碘值和比表面积的大小作为活性炭丁烷吸附性能的指标。