Zn基吸附剂在热煤气脱硫中H2 O对H2 S吸收/COS释放行为的影响及助剂改性调控策略

针对湿煤气高温脱硫过程中H2 O对Zn基吸附剂H2 S吸收能力下降及COS释放行为的影响机制不明的问题，研究人员通过Ni/Ce助剂改性，揭示了H2 O导致硫容量降低41-55%但抑制97-99% COS释放的"双刃剑"效应，提出Ni掺杂可提升32-103%硫容量并削弱Zn-O键的协同优化策略，为工业脱硫工艺设计提供新思路。

　　

在能源化工领域，煤气净化是实现清洁生产的关键环节。工业煤气中普遍存在的H₂
S和COS不仅会毒化催化剂、腐蚀设备，还会对人体健康造成危害。目前高温干法脱硫技术因设备投资低、热能利用率高而备受关注，其中Zn基吸附剂因其优异的H_{22
S吸收与COS释放的关联机制缺乏系统认知，这严重制约着高效脱硫剂的开发。}

为破解这一难题，来自山西的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表最新成果。研究选取具有不同孔道结构的SBA-15和KIT-6为载体，通过溶胶-凝胶法制备Zn基吸附剂，结合多种气氛条件实验（CO+H₂
+H₂
S、CO₂
+H₂
+H₂
S等六种组合），系统考察了5-10 vol% H₂
O对脱硫行为的影响。借助Boltzmann拟合分析H₂
S逸出曲线，发现水蒸气存在时突破后阶段的H₂
S吸收速率显著提升，但ZnO利用率反而降低。研究创新性地引入Ni/Ce助剂进行改性，通过XRD、XPS等表征手段揭示微观作用机制，并开展多轮硫化-再生循环实验验证稳定性。

关键实验技术：

1. 溶胶-凝胶法制备Zn基吸附剂
2. 六种模拟煤气气氛条件下的脱硫性能测试
3. Boltzmann动力学模型拟合分析
4. Ni/Ce助剂的等体积浸渍掺杂
5. 多周期硫化-再生循环稳定性评估

H₂
O对H₂
S吸收行为的影响：
实验数据显示，5-10 vol% H₂
O使Zn/SBA-15和Zn/KIT-6的硫容量（BS）下降41-55%。DFT计算表明，虽然H₂
O的极性更强（偶极矩1.85 D vs H₂
S 0.95 D），但H₂
S在ZnO(1010)面的结合能更低（-138.75 kJ/mol vs H₂
O -115.69 kJ/mol）。当两者共吸附时，H₂
S的氢原子更易与ZnO的晶格氧形成氢键，这种竞争吸附机制导致有效活性位点减少。

COS释放行为的调控机制：
在湿煤气中，CO-H₂
S反应贡献了近乎全部的COS生成量（CO₂
-H₂
S反应可忽略）。引人注目的是，5-10 vol% H₂
O使突破前COS释放量（A-COS_BT
）骤降97-99%。研究者提出H₂
O可能通过两种途径抑制COS生成：一是与CO竞争活性位点，二是促进COS水解反应（COS + H₂
O → CO₂

• H₂
  S）。

助剂改性的协同效应：
Ni和Ce单掺杂分别使A-COS_BT
降低85-89%和92-94%。特别地，Ni掺杂使硫容量提升32-103%，XPS分析证实这是由于Ni削弱了Zn-O键强度（结合能从1021.8 eV降至1021.4 eV）。Ni-Ce共掺杂吸附剂的性能介于单掺杂之间，但展现出优异的循环稳定性：经多轮测试仍保持82-92%初始硫容量，且COS抑制能力未明显衰减。

这项研究首次系统阐明了湿煤气条件下H₂
O对Zn基吸附剂"硫容量-COS释放"的协同调控机制，创新性地提出通过Ni/Ce助剂改性实现性能优化。其中Ni掺杂既能缓解H₂
O对硫容量的负面影响，又可强化对COS生成的抑制作用，这种"一石二鸟"的策略为开发新一代高效脱硫剂提供了理论依据。研究结果对指导工业煤气净化工艺参数优化、降低脱硫能耗具有重要意义，相关改性思路还可拓展至其他金属氧化物吸附剂体系。