摘要：近些年来，活性炭逐渐在燃煤烟气的净化领域发挥越来越重要的作用，其脱硫脱硝脱汞性能与孔隙结构以及表面官能团等物理化学性质具有十分密切的关系。根据活性炭制备材料和改性方法，对国内脱硫脱硝脱汞活性炭进行了系统总结。
“富煤、贫油、少气”是我国能源结构的基本特点。煤炭的利用方式往往以燃烧为主，且主要集中在热电行业。煤炭在燃烧过程中会排放大量的硫氧化物、氮氧化物、汞等污染物，严重破坏大气质量。活性炭具有高度发达的孔隙结构和巨大的比表面积，化学稳定性和热稳定性好，表面含有多种含氧官能团，具有很强的吸附能力，可以用来脱除燃煤烟气中的硫氧化物、氮氧化物、汞等污染物。高性能活性炭的制备及开发成为科研工作者的研究热点。以下在众多脱硫脱硝脱汞活性炭国内专利中，选择一些具有代表性的专利进行阐述。
1、活性炭结构
活性炭的基本结构单元由排列成六角形的碳原子平面层组成，这些平层面构成活性炭的基本微晶。活性炭内部含有各种形状的孔隙，分为微孔、中孔、大孔。不同孔径的孔在吸附过程中发挥的作用有所不同，微孔内径0.6-0.8nm，与普通小分子为同数量级，具有很大的比表面积，吸附无选择性，吸附机制是孔的填充，对活性炭吸附起着支配作用。中孔内径为2-几十nm，中孔的作用是在一定相对压力下按毛细作用将气体吸附在孔中，中孔是进入微孔的通道。大孔内径为500-2000nm，与吸附剂表面直接相通，使吸附分子迅速进入中孔和微孔。
2、活性炭脱硫
活性炭在脱硫过程中不仅作为吸附剂，还作为催化剂，在氧气和水蒸气的作用下，把二氧化硫催化氧化成三氧化硫，并进一步转化为硫酸，储存在活性炭微孔中。科研工作者对脱硫活性炭的研究通常集中在制备材料和改性方法上。
（1）按照制备材料分类。目前对活性炭的制备研究十分广泛，各种含炭材料都可以制备成活性炭。制备活性炭的原料可分为矿物类（煤炭、石油沥青、石油焦）、植物类（木材、竹子、椰壳等）、其他含碳废弃物（废水处理产生的污泥、报废轮胎）。
① 将烟煤和焦煤混合后制备煤粉，并配以焦油和水，混合均匀后制造煤膏，成型造粒后进行炭化活化，最终得到煤质活性炭。该法制备的活性炭不仅可以用来脱硫还可用来脱硝。
② 以180目以下的煤粉为主要原料，与已粉碎到0.5mm以下的沥青、面粉制成胶体，混合均匀成为膏体后挤压成条，经过隔绝空气加热炭化、水蒸气活化后制得活性炭。
③ 在缺氧条件下，对破碎竹材进行炭化、活化处理，成功制备一种竹基活性炭。该竹基活性炭比表面积为1200-1800m3/g，饱和硫容≥920mg/g。
④ 以沸石、鲜苇根、风化煤、生石膏等为原材料，成功制备出可以吸附废气、废水的SO2，SO3、H2S等物质的脱硫活性炭。而且使用艾草、穿心莲等中草药制备活性炭，并与海泡石、壳聚糖混合，提高其离子交换性和热稳定性，不产生二次污染。
⑤ 利用污水污泥脱水干燥，制备了一种脱硫活性炭，实现污泥资源化和无害化的烟气脱硫用活性炭的制备方法。而且又利用氢氧化铝溶胶在污泥活性炭上负载伽马型三氧化二铝膜，从而有效提高了活性炭的脱硫效率。
（2）按照改性方法分类。活性炭作为催化剂或吸附剂时，其表面化学性质对脱硫性能的影响较为明显。通过对活性炭进行改性，改变活性炭表面官能团的数量和种类，可以提高活性炭的稳定性及脱硫性能。
① 将含炭材料加入化学药剂的水溶液，在高压反应釜中进行加压水热化学改性，得到了一种廉价、易再生的活性炭。
② 以氧化及还原气体组成的活化剂对含炭材料进行活化。通过改变活性炭的表面性质，从而提高了活性炭吸附性能和物理性能，其吸附能力和脱硫能力均提高了10%-30%。
③ 使用氢氧化铝、五氧化二钒、明矾对活性炭进行改性。经过锻烧、喷雾干燥等工艺增加了活性炭的反应活性，有利于低浓度烟气中的硫化物脱除；该生产工艺简单，原料易得，可实现工业化生产。
3、活性炭脱硝
在NH3的存在条件下，活性炭可以将氮氧化物还原成氨气。由于原始活性炭的脱硝能力较差，往往通过负载金属或者金属氧化物来提高活性炭的脱硝能力。
① 发明了一种以氮掺杂活性炭为载体的低温SCR催化剂。该催化剂以氨气灼烧法制备的氮掺杂活性炭为载体，并负载金属氧化物。氮掺杂活性炭载体，增加了活性炭表面的碱位点数量，从而增加了NO和O2的吸附量，使更多的NO氧化为NO2；金属氧化物的负载，在催化剂表面形成了大量的酸位点，提高了催化剂对NH3的吸附性能，从而提高脱硝活性。
② 发明了一种以蜂窝状活性炭为载体，以氧化锰与氧化铈的混合物为活性组分的改性活性炭。所制备的蜂窝状活性炭具有比表面积高、孔隙结构发达、床层压降小的优点。
③ 发明了一种活性炭负载稀土金属氧化物还原脱硝催化剂。该发明的优点是：载体活性炭原料来源广泛，催化剂制备工艺简单，脱硝反应无需添加NH3，CO等还原气体作还原剂，提高了工厂车间操作的可靠性，无二次污染，在高空速下能保持脱硝率95%以上。
④ 发明了一种以蜂窝活性炭为载体的烟气脱硝催化剂的制备方法。该发明以弱粘结性煤、粘结性煤、有机粘结剂和水为原料，制备得到蜂窝活性炭。利用等体积浸渍法将(NH4)2[(VO)2(C2O4)3]溶液负载到蜂窝活性炭上，经干燥、锻烧和氧化，制得烟气脱硝催化剂。该发明以粘结性煤来代替煤焦油作为高温粘结剂，不再使用价格昂贵的高温粘结剂，具有生产成本低、设备简单、易于工业化的特点。制备的蜂窝状活性炭具有比表面积大、机械强度高等优点，在蜂窝活性炭上负载活性组分，制得烟气脱硝催化剂，在低温时脱硝效率能够达到80%以上。
4、活性炭脱汞
活性炭可以作为控制汞排放的吸附剂，在袋式除尘器或者静电除尘器脱除装置入口处喷入粉末状活性炭可以降低烟气中的汞含量。
4.1 按照制备材料分类
制备脱汞活性炭的原料主要以含炭材料为主，如煤炭、石油焦、生物质等。
（1）发明了一种脱汞专用活性炭的制造方法。该方法以无烟煤70%-80%、烟煤、MgO和MgSO4为混合原料，得到了一种脱汞专用活性炭。
（2）利用高硫石油焦为原料制备活性炭。高含硫石油焦中所含有的主要为化合态的硫，它们经过热处理后转变为不同形态的硫，其转变的主要趋势是由于炭的还原性，化合态的硫将向单质硫转变成更低价态的硫，它们能够和金属单质汞发生化学吸附，从而大大提高焦炭的脱汞能力。成功地解决了以往载人和漫入方法制备脱汞活性炭在应用过程中由于含汞气体的温度过高而导致的单质硫挥发逸出的关键问题，大大拓展了烟气脱汞活性炭的应用场合。
（3）以普通农作物秸秆为原料，得到一种生物质活性炭。该发明不仅变废为宝，且具有生产成本低的特点。同时由于其可以对亚甲基蓝和汞进行吸附，可用作燃煤烟气的脱汞，有利于缓解环境污染。
（4）发明了一种脱汞用飞灰-活性炭复合吸附剂。飞灰的主要成分是二氧化硅、氧化钙、三氧化二铝、三氧化二铁，在活性炭的参与下，对汞起催化氧化作用，飞灰具有的球形形状，所制得的材料同时具有微孔和大孔的结构特性，可以提高其比表面积。该发明利用廉价的废弃物制备脱汞吸附剂，原料廉价易得，工艺简单，成本低，重复性好，有利于规模化工业生产。
4.2 按照改性方法分类
原始活性炭对汞的吸附以物理吸附为主，脱汞效果差，因此为了提高活性炭对汞的脱除能力，需要对活性炭进行改性。常用的改性方法有赋硫、载溴等。
（1）赋硫改性。
① 以成品活性炭为母炭，以含SO2的混合气体为气源，制得介孔赋硫活性炭。该发明所制备的活性炭，具有介孔容积分率和比表面积较大、吸附容量和吸附速率较高的特点。
② 将活性炭与硫混合后置于一个密闭的容器中，在一定温度下进行反应。利用硫的升华能力和低极性，在密闭容器中加热，硫直接进入活性炭孔隙内，附于活性炭孔隙中，当含汞气体进人活性炭孔隙内，汞被硫捕获，形成硫化汞。
③ 采用成本低廉的硫磺作为活性炭的添加剂，通过热沉淀方法使硫均匀分布在活性炭表面，能够有效脱除烟气中的汞。
（2）载溴改性。
① 在活性炭上负载溴分子，成功制备出一种脱汞专用活性炭，其汞吸附量≥0.2mg/g，溴负载量≥10%。该方法制备的活性炭脱汞后有较好的再生性能，即使报废处理也不易造成二次污染。
② 利用NH4Cl，NH4Br等卤化铵盐溶液浸渍原始活性炭，烘干后制得改性活性炭。与原始活性炭相比，改性活性炭脱汞吸附剂具有汞吸附量大、吸附速率高等优点。
③ 针对燃煤电厂锅炉烟气喷射脱汞技术，开发了一种由硝酸铁-氯酸混合溶液浸渍改性的活性炭。与原始活性炭相比具有汞吸附能力强、吸附量大等优点，能够有效吸附烟气中的汞。
（3）其他方法改性。
① 发明了一种脱汞专用改性活性炭的制备方法，包括以下步骤：将木质颗粒活性炭，经盐酸酸洗、蒸馏水水洗之后，再烘干备用；将活性炭放置在双氧水中超声，静置完成后，过滤，之后再干燥、洗涤、干燥，得到脱汞专用改性活性炭。该脱汞专用改性活性炭脱汞效率高，较高汞吸附量可达5.3mg/g，是未改性活性炭汞吸附量的1.5倍。
② 发明了一种用于烟气脱汞的硝酸改性活性炭。将一定粒度范围的活性炭，经蒸馏水洗涤后，烘干备用；制备一定浓度的硝酸改性液，然后用该溶液浸渍活性炭，最后将滤液洗涤后烘干，得到脱汞用硝酸改性活性炭吸附剂。本发明利用了硝酸能增加活性炭表面官能团这一特性，当含有汞的烟气组分进人活性炭的孔道结构时，汞即被捕获。该硝酸改性活性炭是专用于电站、工业锅炉、工业窑炉烟气喷射脱汞技术的一种脱汞吸附剂。
③ 另外，通过特殊工艺制备，也可提高其脱汞性能。张志清7采用绝氧干馏工艺制备活性炭。所得产品的碘值700-800mg/g；DYE吸附值：7-11mg/g；浸渍溴化钙量≥0.5%，微孔容积≥0.4mL/g，汞吸附容量≥0.3mg/g。
5、结论
活性炭具有较高的比表面积和良好的化学稳定性，适用于燃煤烟气的净化。由于工业应用情况复杂，科研工作者除了研究活性炭的脱除效果以外，还应深人对其机械性能、使用寿命等对工业实践具有指导意义的相关指标的研究。然而活性炭在治理燃煤烟气中的应用起步较晚，本文有助于为相关技术人员了解脱硫脱硝脱汞活性炭的技术发展动态。
