活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　石油工業的主要副產物之一是生產用水，即與油一起產生的水，以及在回收過程中注入的水。工業中生產用水通常被碳氫化合物污染，必須在再注入或處置之前將其除去。目前，有不同的處理方法從生產用水中去除油，包括吸附，過濾，反滲透，浮選和凝固等。由于其簡單性和有效性，吸附是水中除油中常用的技術。用于處理產出水的典型吸附劑是活性炭和最近的納米材料。不過目前生物過程是一種新興技術，能夠解決這些問題，因為特定微生物能夠催化水中混溶的碳氫化合物。本次測試使用活性炭負載微生物講解生產用水中的碳氫化合物。

　　研究測試材料準備

　　活性炭的化學改性：初始浸漬法用于表面改性。將氫氧化鉀和磷酸改性活性炭在110℃下干燥24小時。根據它們分別包含P或N雜原子的溶解度，用最少量的水或乙醇制備適量的改性劑，磷酸和三聚氰胺。然后將溶液緩慢滴在每種材料上。浸漬的活性炭在IR燈下干燥24小時，然后使用管式爐在3立方米每分鐘的氮氣流下在700℃下加熱1小時。最后，合成了四種活性炭，并且選擇合適的活性炭負載上斯氏假單胞菌。

　　油-水乳液的制備：通過混合NaCl和去離子水制備鹽水(鹽水)以獲得2%的H 2 O質量分數。原油和鹽水以10000rpm進行20分鐘制成油-水乳液。使用UV-VIS分光光度計，通過光學顯微鏡觀察油滴的大小和吸光度的變化，監測乳液的穩定性。通過混合苯、甲苯和苯酚600毫克在去離子水中混合10分鐘制備具有特定烴鹽水。

　　活性炭的特性

　　如圖1所示(a)氫氧化鉀和(b)磷酸活性炭的形態。都是是無定形顆粒的三維網絡。特別是氫氧化鉀，它呈現出更大更廣的單位。在視覺上，磷酸孔隙小于氫氧化鉀。總的來說，活性炭的表面主要由碳(>85%)和氧(7.7%)原子構成。由于用于活化的H 3 PO 4，磷酸活性炭顯示出殘留的磷(質量分數為6.7%)。

　　圖1：通過用(a)氫氧化鉀和(b)磷酸化學活化活性炭的微觀結構，通過SEM分析估計。

　　烴類降解試驗

　　活性炭載微生物從油鹽水乳液中去除芳烴的能力如圖2所示。在與常規的氫氧化鉀活性炭被用作對照。特別是，使用常規的活性炭，苯和甲苯的吸附效率大于90%，而它們吸附苯酚的能力小于70%。可以通過考慮吸附物之間的極性差異來解釋這些結果。使用活性炭和載微生物活性炭的苯酚去除效率之間的比較顯示了通過微生物固定修改活性炭孔隙空間的方式。由于施氏假單胞菌消耗苯酚的能力較低，因此去除嚴格限于吸附過程。

　　圖2：芳香族烴脫除通過用氫氧化鉀與三聚氰胺官能化的化學活化制備的活性炭，負載微生物的活性炭材料。

　　簡而言之，使用活性炭(60%-93%)和載微生物活性炭(16%-84%)比游離的無活性炭載體的微生物(1%-47%)更好地去除芳香烴。材料的孔隙率和吸附偶極性有利于吸附。常規活性炭表現出高度的微孔性，其中可以容納分子量約為100�镜谋剑�甲苯和苯酚。活性炭的非極性特征保證了碳氫化合物的疏水吸引力，也是非極性的。活性炭陽離子表面有利于芳烴保留，因為芳環中的π電子與表面陽離子靜電連接。使用常規活性炭和載微生物活性炭的原油去除能力如圖3所示。使用游離的微生物和油-鹽水乳液作為對照。

　　圖3：原油通過有和沒有與三聚氰胺官能化和微生物由氫氧化鉀化學活化制備的活性炭除去。

　　分別使用微生物和四種活性炭24小時后，油-鹽水乳液中去除的原油總量分別為21.9%，75.1%，62.3%，48.5%和37.4%。通常，常規活性炭去除了比活性炭載微生物材料更高量的原油。這可能是由于吸附對的高物理化學親和力，可以通過范德瓦爾斯相互作用來控制。活性炭的高孔隙率有益于原油組分的物理吸附。去除基礎材料和載微生物材料之間的差異在于不同量的可用活性位點，其在微生物材料中較少，因為微生物沉積在孔中。通過考慮活性炭以更大比例固定微生物并呈現更好的多孔性質來解釋這些發現。

　　雖然有結果表明除油效率高于本研究所達到的效果(在不到24小時內去除率≥90%)，但這些結果是用吸附劑和非催化劑獲得的，因此優點是部分的。它們沒有解決解吸問題，例如在目前使用活性炭載微生物的實驗中。微生物的催化作用被確認為存在少量的碳氫化合物，例如喹啉胺，苯并喹啉，環己硅氧烷，戊二烯和環戊烷，它們僅在存在游離或活性炭固定的微生物時觀察到，與常規活性炭處理不同。

　　該研究調查了活性炭載微生物用于催化鹽水包油乳液中的碳氫化合物和原油的能力。結果表明，活性炭的大孔性對于微生物固定是必不可少的，用于容納烴的微孔性和用于這些吸附物的靜電穩定的高pH PZC。使用常規活性炭(吸附：60%-93%)和微生物活性炭(催化：16%-84%)與游離的微生物(生物處理：1-47%)相比，芳香烴的去除略微更有效。與純吸附方法相比，較低的去除百分比通過用于除油的催化途徑得到補償。僅在存在游離或活性炭固定的微生物情況下存在少量碳氫化合物就證明了這一點。

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