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(cè)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(méi)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(duì)丁烷吸附有重要影響，丁烷工作容量和活性變化趨勢(shì)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(duì)其進(jìn)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(lái)的氫氣中含有微量的氯化氫、氯硅烷等通過(guò)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(duì)金屬雜質(zhì)及硼、磷含量要求低，煤基活性炭無(wú)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(jī)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(jiàn)表1所示。
表1 椰殼的工業(yè)分析/%
| Mad | Ad | Vdaf | FCdaf |
| 5.08 | 2.51 | 12.26 | 87.74 |
取椰殼置于加熱爐中，從室溫升至特定溫度，恒溫進(jìn)行炭化。達(dá)到炭化時(shí)間后，通入定量水蒸氣作為活化劑在管式爐中進(jìn)行活化。改變活化溫度及活化時(shí)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?dú)馕摳椒蛛x曲線見(jiàn)圖1所示。5種椰殼活性炭的吸附類(lèi)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(guò)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(jìn)行計(jì)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(duì)比較均勻，椰殼活性炭E曲線明顯高于其它樣品，說(shuō)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(jiàn)表2所示。制備出的椰殼活性炭強(qiáng)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(duì)粉塵、雜質(zhì)及壓力降要求。
表2 椰殼活性炭性能參數(shù)
| 樣品 | 強(qiáng)度/% | 表觀密度/g·mL-1 | 堆積密度/g·L-1 | 灰分/% | 磷/mg·kg-1 | 硼/mg·kg-1 |
| A | 99.2 | 0.404 | 403 | 2.1 | 0.025 | 9.3 |
| B | 99.4 | 0.466 | 458 | 3.5 | 0.004 | ＜5 |
| C | 99.1 | 0.467 | 464 | 2.7 | 0.014 | ＜5 |
| D | 97.4 | 0.370 | 358 | 2.6 | 0.019 | 6.2 |
| E | 97.2 | 0.418 | 418 | 3.3 | 0.017 | 6.4 |
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(cè)量顯示椰殼活性炭C孔徑主要是微孔（<2nm），微孔率達(dá)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(shuō)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?yàn)椋篍>D>B>A>C，BWCV大小順序?yàn)椋篍>B>D>A>C，說(shuō)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(shí)，BWCV和BAm達(dá)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(kāi)始減小，說(shuō)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(shuō)明了在丁烷吸附過(guò)程中并不是微孔越發(fā)達(dá)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(shì)基本相同。活性炭碘值增加，BWCV和BAm變大，并在碘值為1128mg/g達(dá)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(shì)。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(yǔ)
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(cè)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(shì)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)。