活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　焦炭对钢铁的生产至关重要，而钢铁的生产支撑的是物质和经济基础。生产焦炭需要高温热解，这个过程会导致洗涤产生焦化废水，水中含有复杂的污染物混合物，包括有机物(酚类化合物和多环芳烃)和无机物(氨，硫化物和重金属)。这些化合物大多数是有毒的，高度浓缩的。因此，焦化废水的生产会对环境和生态有影响。这次的实验是用煤飞灰改善活性炭的能力，用作吸附剂去除焦化废水中的重金属。这将通过创造增值副产品并通过生产可持续吸附材料来减少焦化废水对环境的影响，从而进一步提高生物质的废物转化为生物燃料的经济可行性。

　　活性炭从水溶液中吸附污染物的测试方法

　　进行吸附实验以确定使用生物炭和活性炭来模拟来自模焦化废水中的重金属的可能性。一般来说，煤含有各种重金属，其特征和浓度因矿山和地区而异。为了选择一组代表性的重金属进行研究，在任何处理之前从焦炭厂收集焦化废水样品，并通过电感耦合等离子体质谱测试。发现废水含有统计学上显着量的Co，Mn，Ni，Zn和Se。这四种金属在处理后存在于焦化废水和水中，因此吸附结果适用于活性炭处理前和处理后的样品。此处检测到的金属在煤炭废水和污染水流中的浓度也各不相同，包括：其他厂的焦化废水样品，水被煤泥污染等。因此，虽然所有废水都存在相当大的异质性，但本研究中使用的四种金属代表了一般的工业焦化废水。

　　测试方法：将储备溶液通过将各种盐溶解在1L超纯水中制备。在室温23.5±0.5℃下，在4mL玻璃小瓶中进行批量吸附实验，其中活性炭：溶液比为1：400。使用的浓度范围为10mg L-1至500mg L-1。将小瓶在轨道振荡器上以190rpm搅拌24小时。使用0.45μm亲水性注射器过滤器过滤溶液，并使用浓硝酸稀释至2%HNO 3基质以准备通过电感耦合等离子体质谱进行分析。

　　原材料和活性炭的内部结构

　　活性炭是否可以作为从模拟焦化废水中去除重金属的可持续吸附剂。正如图1所示，球形煤飞灰颗粒存在于在10%样品重量比5%的样品显着更高的数字。由于使用气体活化，三种活性炭样品显示出比热解样品高至少一个数量级的表面积和孔体积。活性炭的孔体积比生物炭的孔体积大10倍以上，但介孔体积仅比热解炭的体积大2倍。这表明气体活化除去挥发性物质，由于一些反应形成微孔结构，在5wt%原材料的情况下，可以被催化，如先前研究原材料的热解气体产率所见。

　　图1：带嵌入比例尺的原料和活性炭的SEM图像。

　　活性炭表面官能团

　　表面基团的芳香族C-C或C-H随着活性炭原料在热解时的比例增加以及气体活化而增加可以从图2中可以看出。这是预期的，在不完全燃烧和部分氧化可导致在含碳材料内形成芳族化合物。含氧官能团如C-O，C=O和O.=随着生物炭和活性炭的煤飞灰比例增加，C-O的相对面积减小。煤飞灰似乎提高了芳构化程度，但显着降低了羰基的相对浓度，同时保持或适度降低了酮和羧酸的性质。这可能涉及先前发现的用于生物质和煤飞灰的共热解的生物燃料的增强的脱氧，并且表明活性炭的表面化学可以使用煤飞灰作为添加剂来介导。

　　图2：活性炭官能团的相对面积。

　　活性炭在废水处理中的适用性

　　进行动力学和等温线研究以测量这些活性炭用于从焦化废水中吸附重金属的可能性。动力学数据显示快速初始摄取，然后渐近接近平衡，在24小时内达到(图3a中的示例动力学数据)。应用伪一阶，伪二阶和颗粒内扩散模型以拟合动力学数据。在所研究的三种动力学模型中，伪二阶模型最好地描述了具有显着更高相关系数的实验数据(所有重金属/活性炭的R 2 > 0.98)比其他两个型号高。图3b显示了吸附到每个焦炭样品的每种金属的假二级速率常数。

　　图3：活性炭对重金属的吸附动力学。

　　虽然煤炭在发电中的使用可能正在减少，但焦煤在以后仍是一种关键的原材料，它会产生充满重金属污染物的废水。目前我们测试了将由煤飞灰和其它生物质共热解产生的活性炭具处理焦化废水和其他工业煤水流的能力。在生产活性炭中，添加少量煤灰飞5wt%可改善热解生物燃料产率和燃料质量。然而10wt%的煤飞灰混合物具有比5wt%混合物更低的吸附容量。在总吸附速率方面发现了相同的趋势。这可能是由于芳香特性和表面积/微孔体积的同时增加。煤飞灰的存在增加了活性炭表面官能团的芳香度，同时减少了羰基但保留了酮。总之，在用生物质原料热解期间使用高达5wt%的煤飞灰改善了生物燃料产率和质量，同时增强了所得活性炭的吸附能力和从水中去除重金属的速率，同时为煤飞灰提供了有益的再利用。

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