活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　焦炭對鋼鐵的生產(chǎn)至關(guān)重要，而鋼鐵的生產(chǎn)支撐的是物質(zhì)和經(jīng)濟基礎(chǔ)。生產(chǎn)焦炭需要高溫?zé)峤猓�這個過程會導(dǎo)致洗滌產(chǎn)生焦化廢水，水中含有復(fù)雜的污染物混合物，包括有機物(酚類化合物和多環(huán)芳烴)和無機物(氨，硫化物和重金屬)。這些化合物大多數(shù)是有毒的，高度濃縮的。因此，焦化廢水的生產(chǎn)會對環(huán)境和生態(tài)有影響。這次的實驗是用煤飛灰改善活性炭的能力，用作吸附劑去除焦化廢水中的重金屬。這將通過創(chuàng)造增值副產(chǎn)品并通過生產(chǎn)可持續(xù)吸附材料來減少焦化廢水對環(huán)境的影響，從而進(jìn)一步提高生物質(zhì)的廢物轉(zhuǎn)化為生物燃料的經(jīng)濟可行性。

　　活性炭從水溶液中吸附污染物的測試方法

　　進(jìn)行吸附實驗以確定使用生物炭和活性炭來模擬來自模焦化廢水中的重金屬的可能性。一般來說，煤含有各種重金屬，其特征和濃度因礦山和地區(qū)而異。為了選擇一組代表性的重金屬進(jìn)行研究，在任何處理之前從焦炭廠收集焦化廢水樣品，并通過電感耦合等離子體質(zhì)譜測試。發(fā)現(xiàn)廢水含有統(tǒng)計學(xué)上顯著量的Co，Mn，Ni，Zn和Se。這四種金屬在處理后存在于焦化廢水和水中，因此吸附結(jié)果適用于活性炭處理前和處理后的樣品。此處檢測到的金屬在煤炭廢水和污染水流中的濃度也各不相同，包括：其他廠的焦化廢水樣品，水被煤泥污染等。因此，雖然所有廢水都存在相當(dāng)大的異質(zhì)性，但本研究中使用的四種金屬代表了一般的工業(yè)焦化廢水。

　　測試方法：將儲備溶液通過將各種鹽溶解在1L超純水中制備。在室溫23.5±0.5℃下，在4mL玻璃小瓶中進(jìn)行批量吸附實驗，其中活性炭：溶液比為1：400。使用的濃度范圍為10mg L-1至500mg L-1。將小瓶在軌道振蕩器上以190rpm攪拌24小時。使用0.45μm親水性注射器過濾器過濾溶液，并使用濃硝酸稀釋至2%HNO 3基質(zhì)以準(zhǔn)備通過電感耦合等離子體質(zhì)譜進(jìn)行分析。

　　原材料和活性炭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　活性炭是否可以作為從模擬焦化廢水中去除重金屬的可持續(xù)吸附劑。正如圖1所示，球形煤飛灰顆粒存在于在10%樣品重量比5%的樣品顯著更高的數(shù)字。由于使用氣體活化，三種活性炭樣品顯示出比熱解樣品高至少一個數(shù)量級的表面積和孔體積。活性炭的孔體積比生物炭的孔體積大10倍以上，但介孔體積僅比熱解炭的體積大2倍。這表明氣體活化除去揮發(fā)性物質(zhì)，由于一些反應(yīng)形成微孔結(jié)構(gòu)，在5wt%原材料的情況下，可以被催化，如先前研究原材料的熱解氣體產(chǎn)率所見。

　　圖1：帶嵌入比例尺的原料和活性炭的SEM圖像。

　　活性炭表面官能團

　　表面基團的芳香族C-C或C-H隨著活性炭原料在熱解時的比例增加以及氣體活化而增加可以從圖2中可以看出。這是預(yù)期的，在不完全燃燒和部分氧化可導(dǎo)致在含碳材料內(nèi)形成芳族化合物。含氧官能團如C-O，C=O和O.=隨著生物炭和活性炭的煤飛灰比例增加，C-O的相對面積減小。煤飛灰似乎提高了芳構(gòu)化程度，但顯著降低了羰基的相對濃度，同時保持或適度降低了酮和羧酸的性質(zhì)。這可能涉及先前發(fā)現(xiàn)的用于生物質(zhì)和煤飛灰的共熱解的生物燃料的增強的脫氧，并且表明活性炭的表面化學(xué)可以使用煤飛灰作為添加劑來介導(dǎo)。

　　圖2：活性炭官能團的相對面積。

　　活性炭在廢水處理中的適用性

　　進(jìn)行動力學(xué)和等溫線研究以測量這些活性炭用于從焦化廢水中吸附重金屬的可能性。動力學(xué)數(shù)據(jù)顯示快速初始攝取，然后漸近接近平衡，在24小時內(nèi)達(dá)到(圖3a中的示例動力學(xué)數(shù)據(jù))。應(yīng)用偽一階，偽二階和顆粒內(nèi)擴散模型以擬合動力學(xué)數(shù)據(jù)。在所研究的三種動力學(xué)模型中，偽二階模型最好地描述了具有顯著更高相關(guān)系數(shù)的實驗數(shù)據(jù)(所有重金屬/活性炭的R 2 > 0.98)比其他兩個型號高。圖3b顯示了吸附到每個焦炭樣品的每種金屬的假二級速率常數(shù)。

　　圖3：活性炭對重金屬的吸附動力學(xué)。

　　雖然煤炭在發(fā)電中的使用可能正在減少，但焦煤在以后仍是一種關(guān)鍵的原材料，它會產(chǎn)生充滿重金屬污染物的廢水。目前我們測試了將由煤飛灰和其它生物質(zhì)共熱解產(chǎn)生的活性炭具處理焦化廢水和其他工業(yè)煤水流的能力。在生產(chǎn)活性炭中，添加少量煤灰飛5wt%可改善熱解生物燃料產(chǎn)率和燃料質(zhì)量。然而10wt%的煤飛灰混合物具有比5wt%混合物更低的吸附容量。在總吸附速率方面發(fā)現(xiàn)了相同的趨勢。這可能是由于芳香特性和表面積/微孔體積的同時增加。煤飛灰的存在增加了活性炭表面官能團的芳香度，同時減少了羰基但保留了酮。總之，在用生物質(zhì)原料熱解期間使用高達(dá)5wt%的煤飛灰改善了生物燃料產(chǎn)率和質(zhì)量，同時增強了所得活性炭的吸附能力和從水中去除重金屬的速率，同時為煤飛灰提供了有益的再利用。

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