非瀝青粘結(jié)劑煤基活性炭制備及水處理的應(yīng)用研究.pdf

1、煤基活性炭由于其豐富的孔結(jié)構(gòu)及巨大的比表面積，可有效地去除常規(guī)水處理工藝無法解決的溶解性有機物(DOM)。因此，在微污染水深度處理方面獲得廣泛應(yīng)用，且發(fā)展前景十分廣闊。
　　目前，煤基活性炭的工業(yè)生產(chǎn)過程中，在添加大量的煤焦油瀝青作為粘結(jié)劑的工藝中，環(huán)境污染嚴(yán)重，而采用新型非瀝青有機粘結(jié)劑的工藝中，由于高成本使得活性炭生產(chǎn)難度增加。針對以上問題，本文以廉價的煤炭為主要原料，采用課題組自主研發(fā)的廉價高效潔凈非瀝青粘結(jié)劑，通過水蒸汽活

2、化、氧化-催化制備、活性炭處理微污染水以及吸附動力學(xué)對煤基活性炭的性能進行了系統(tǒng)的研究，取得的主要研究成果與結(jié)論如下:
　　1.非瀝青粘結(jié)劑煤基活性炭的優(yōu)化制備操作條件:炭化溫度650℃，炭化時間45min，活化溫度880℃，活化時間180min，水蒸汽流量0.04mL·(min·g)-1，在此條作下制得的活性炭碘值853.8mg/g，炭收率44.5％，比表面積684.3m2/g，總孔體積0.3852cm3/g，微孔體積0.245

3、5cm3/g，中孔體積0.1362cm3/g，屬于中微孔發(fā)達型煤基活性炭。
　　2.原煤經(jīng)空氣和HNO3氧化后，其內(nèi)部形成碳-氧C(O)微晶耐熱大分子結(jié)構(gòu)化合物，且羰基(C=O)、醚基(C-O-C)和硝基(-NO2)等含氧官能團均有明顯的增加。(002)衍射峰強度隨著空氣溫度的升高而逐漸減弱，隨HNO3濃度的增大而呈現(xiàn)先減弱后增強的變化，在空氣溫度240℃和HNO3濃度10％處出現(xiàn)最弱，由于炭化的交聯(lián)與聚合作用，炭化料的石墨化程度

4、大為降低。HNO3氧化后炭化料收率為71.0％，較空氣氧化后的67.5％有所提高。當(dāng)空氣氧化溫度為240℃，碘值出現(xiàn)最大值875.3mg/g，炭收率55.4％，灰分含量41.3％;當(dāng)HNO3氧化濃度為10％時，碘值出現(xiàn)最大值970.7mg/g，炭收率38.8％，灰分含量24.2％。
　　3.原煤經(jīng)過氧化后，煤基活性炭表面的C與O的賦存形式發(fā)生明顯變化。其中C主要以石墨碳和烷基碳(C-C)為主，兩者之和占總碳含量的70％以上。經(jīng)空氣

5、氧化后，制得活性炭中石墨碳、酚醚碳和羰基碳含量均有較大的增幅，烷基碳和羧基碳含量均減小，羥醚氧的含量增加21.7％，羧基氧含量減小19.1％;經(jīng)HNO3氧化后，活性炭中烷基碳和羧基碳含量大幅度減小，酚醚碳含量增加，羥醚氧和羧基氧含量分別增加37.0％和40.0％，羰基氧含量減小36.3％。
　　4.隨著催化劑添加量的增加，煤基活性炭的碘值先增加后減小，灰分含量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。添加KNO3制得活性炭的碘值均高于其他兩種硝酸鹽

6、，灰分含量均低于其他兩種硝酸鹽。當(dāng)添加15％的KNO3時，活性炭碘值出現(xiàn)最大1184mg/g，灰分含量出現(xiàn)最小27.43％。
　　5.不同硝酸鹽對制備高性能活性炭的催化活性不同，其順序為:KNO3＞NaNO3＞Fe(NO3)3。由于硝酸鹽經(jīng)炭化后部分的晶體產(chǎn)物(K2O、Na2O2和Fe3C等)與氣體產(chǎn)物（O2和NO等）對煤中分子產(chǎn)生不同程度的破壞，導(dǎo)致炭化料的石墨化程度下降。其中催化機理分為兩個部分，一部分硝酸鹽在炭化過程中釋放出

7、O2和NO，對煤內(nèi)部支鏈分子進行氧化，另一部分由于炭化產(chǎn)生的金屬氧化物在水蒸汽活化反應(yīng)過程中起到催化作用，生成大量的孔隙結(jié)構(gòu)。
　　6.通過UV-VIS分析，非瀝青粘結(jié)劑煤基活性炭對微污染水中的烷烴、芳香烴和雜環(huán)等小分子有機物具有較好的吸附效果，液相吸附等溫線符合非均勻Freundlich吸附模型:q=2.36488·c1.16011，其下限吸附容量較大，吸附容量指數(shù)較小，更適合處理水中濃度較低的有機物。其處理微污染水的優(yōu)化條件為

8、:吸附時間150min，投加量2.5g/L，pH值7.80，處理溫度50～60℃，在該條件下對初始濃度為9.66mg/L的微污染水處理時，水樣中COD和UV254去除率分別可達到83.76％和97.78％。
　　7.活性炭吸附微污染水中小分子有機物的平衡吸附量均隨吸附時間和溫度的增加而增大，吸附動力學(xué)能夠很好地符合偽二級動力學(xué)方程模型，反應(yīng)速率表達式:K=499.49·exp(-25310/RT)，其中活化能Ea=25.31kJ/