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(jī)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(jī)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(duì)以上問題，本文以廉價(jià)的煤炭為主要原料，采用課題組自主研發(fā)的廉價(jià)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(dòng)力學(xué)對(duì)煤基活性炭的性能進(jìn)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(shí)間45min，活化溫度880℃，活化時(shí)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(dá)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(tuán)均有明顯的增加。(002)衍射峰強(qiáng)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(qiáng)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(shí)，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(shì)。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(shí)，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(duì)制備高性能活性炭的催化活性不同，其順序?yàn)?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(duì)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(jī)理分為兩個(gè)部分，一部分硝酸鹽在炭化過程中釋放出

7、O2和NO，對(duì)煤內(nèi)部支鏈分子進(jìn)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(duì)微污染水中的烷烴、芳香烴和雜環(huán)等小分子有機(jī)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(jī)物。其處理微污染水的優(yōu)化條件為

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