煤焦油渣制备活性炭及活化机理研究

摘要

活性炭微孔发达、比表面积高、吸附能力强，是一种优良的吸附材料，广泛应用于化工、环保、食品与制药、催化剂载体和电极材料等领域，煤焦油渣是工业生产中产生的一种富含碳的残余物，难处理、利用率低。本文结合国内外活性炭制备、表征应用及煤焦油渣利用现状研究基础，研究了煤焦油渣制备活性炭的影响参数及煤焦油渣基活性炭的表征及吸附应用效果，分析探讨了煤焦油渣基活性炭制备的活化机理。
　　 以煤焦油渣为原料，磷酸、氯化锌为活化剂，分别采用物理热、微波热两种加热方式制备活性炭，考察了活化温度、活化功率、活化时间、原料粒度、载气流速、升温速率以及料剂比对活性炭性能的影响。结果表明：煤焦油渣是制备活性炭的优质原料，物理热-磷酸活化最佳参数条件：活化量10g、1:1磷酸、活化温度850℃、活化时间3h、料剂质量比1:3，该条件下制备的活性炭产品碘值、亚甲基蓝值分别为：619.3mg/g、139.4 mg/g；微波热-氯化锌活化最佳参数条件：活化量10g、活化功率700W、活化时间60min、料剂比比1:1，该条件下制备的活性炭产品碘值、亚甲基蓝值分别为397.8mg/g、110.7mg/g。
　　 煤焦油渣在高温度的活化过程中，孔结构随着活化温度的升高形成越丰富，尤其是微孔结构，但是活化温度过高会使活性炭的得率降低，并使部分已得孔结构坍塌从而降低其吸附能力，同时活性炭孔结构的形成受添加剂的影响，以磷酸为活化剂时，由于磷酸对原料的托氢氧化作用使孔结构能在在较低活化温度下就能充分形成，煤焦油渣活化反应在600-800℃温度范围内反应活化能为-7.31kJ/mol，在800-1200℃温度范围内反应活化能为1.38kJ/mol，而不加添加剂时，其活化能分别为2.47 kJ/mol、4.98 kJ/mol。
　　 煤焦油渣基活性炭对金属离子污染物的吸附不仅存在物理离子吸附，同时存在表面化学作用的吸附，其中Ferundicih吸附等温线模型可较好的用来描述重金属离子在煤焦油渣活性炭上的吸附平衡，标准二级动力学方程可以很好的适合重金属离子在煤焦油渣活性炭上的吸附动力学过程，煤焦油渣基活性炭对实际电镀废水的吸附过程中，需要吸附剂与吸附质在一定的范围空间内(100mL)按照吸附质总离子浓度：吸附剂质量为30:1左右投加时较合适，其对离子半径较小重金属的饱和吸附量12.78mg/g，对直径尺寸接近50nm-100nm的染料分子饱和吸附量为244.87mg/g，表现出对较大分子污染物有更好吸附效果。