铁浸渍氧化活性炭纤维高效脱除SO2：低浓度氧气氧化调控表面特性的机制研究

针对燃煤电厂SO2深度净化需求，印尼国家研究创新署团队通过低浓度氧气（2% O2）氧化结合高温热处理（1100°C）改性沥青基活性炭纤维（ACF），发现Fe掺杂可催化形成丰富含氧官能团并拓宽孔径，使SO2吸附容量提升至491.0 mL/g-ACF（较原始ACF提高226%），为低成本烟气脱硫提供了新材料设计策略。

　　

随着全球燃煤电厂SO₂排放标准日益严格，传统湿法脱硫技术面临成本激增的困境。例如中国将脱硫效率从98%提升至99%时，年运行成本将增加138亿元。碳基吸附剂因其设备简单、二次污染少等优势成为研究热点，其中活性炭纤维（ACF）因其高比表面积和丰富孔隙结构展现出卓越的SO₂吸附潜力。然而，现有ACF改性方法存在氧化过程不可控（如空气氧化易引发燃烧）、孔隙结构易破坏等问题，亟需开发新型可控氧化技术。

印尼国家研究创新署的Miftahul Huda团队在《Carbon Trends》发表研究，创新性地采用低浓度氧气（2% O₂/N₂混合气）对沥青基ACF进行可控氧化，并结合铁浸渍（FeACF）和高温热处理（1100°C），系统探究了材料结构演变与SO₂吸附性能的构效关系。研究通过扫描电镜（SEM）、氮气吸附（BET）、程序升温脱附（TPD）等技术表征材料特性，并搭建固定床反应器测试SO₂动态吸附性能。

【氧化行为调控】

FeACF在450°C氧化1小时即可实现49%的产率，而纯ACF需550°C才能达到相近氧化程度，证实铁显著降低氧化活化能。SEM显示氧化后纤维直径从13μm缩减至8-10μm，且FeACF表面形成粗糙结构，暗示铁催化局部氧化反应。

【表面化学特性】

TPD分析揭示氧化引入大量含氧官能团：FeACF-ox2%T45t1的CO₂脱附峰（572°C）对应羧酸/内酯分解，CO脱附峰（627°C）源于醚/羰基断裂。氧化后ACF经热处理时重量损失达18.0%（纯ACF仅7.0%），表明更多活性位点暴露。

【孔隙结构优化】

BET测试显示氧化-热处理协同效应：FeACF-ox2%T45t1比表面积达1670 m²/g，且孔径分布向4nm以下微孔集中，而纯ACF氧化后形成4-13nm介孔，说明铁促进微孔生成。这种分级孔隙结构有利于SO₂吸附和H₂SO₄脱附循环。

【SO₂吸附性能】

动态吸附实验表明，FeACF-ox2%T45t1的SO₂穿透时间达159分钟，15小时累计吸附量达491.0 mL/g-ACF，是原始ACF（150.8 mL/g）的3.3倍。Avrami模型拟合显示吸附容量与热处理失重呈线性相关（R²>0.95），证实活性位点数量是性能提升关键。

该研究通过低浓度氧气氧化-铁催化-高温热处理的三步调控策略，实现了ACF表面化学特性与孔隙结构的精准设计。Fe的引入不仅降低氧化温度，其氧化还原特性（Fe²⁺/Fe³⁺循环）还促进SO₂向SO₃转化，而石墨化区域增强的表面疏水性加速H₂SO₄脱附。这种"氧化扩孔-铁催化-原位再生"的协同机制，为开发低成本、高效率的碳基脱硫材料提供了新思路，对实现燃煤烟气超低排放具有重要应用价值。