活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭去除煉油廠硫化合物的應用

　　煉油是石油加工過程中必不可少的工序，它使用大量的化學產品并產生固體廢物和廢水，這些被認為是危險廢物。事實上，煉油廠廢水含有大量的重金屬、酚類、苯和COD。近年來，由于工業和城市使用石油產品的增加，煉油廠廢水污染有所增加。使用吸附方法處理煉油廠廢水，選擇這種方法是基于其去除有毒化合物的高潛力及其成本效益。這期展示了如何使用活性炭有效去除煉油廠廢水中硫污染物的材料。

　　活性炭表征

　　通過煅燒和HNO3、H2O2和KOH活化，廢棉纖維成功轉化為不同結構的活性炭。圖1顯示了三種活性炭的SEM圖像。可以看出，化學活化有助于大孔隙的形成。在整個纖維長度上可以觀察到一個空心芯，直徑約為0.5–5.0µM，形狀幾乎為圓形。活性炭具有高度多孔的結構，核心直徑在大約0.5和5μM之間(圖1b,d)。這種大孔隙率可能與纖維內壁木質素的化學破壞有關。參考活性炭(圖1a)呈現大孔隙，而形態特征是纖維中芯的出現，其直徑取決于活化劑。使用過氧化氫作為活化試劑獲得最大直徑(圖1b)。如圖1b-d所示，前體的結構(最初具有干凈的表面)在每次化學處理后都會被破壞。有趣的是，其中一種活性炭的表面在化學活化的影響下發生明顯變化(與其他活性炭相比)。

　　1：活性炭的SEM圖像：(a)參考活性炭，(b)HNO3活化，(c)H2O2活化，和(d)KOH活化。

　　床吸附實驗

　　通過在密封玻璃瓶中將已知量(4.0g)的活性炭與50mL實際廢水樣品進行反應，進行批量吸附平衡實驗。測試了具有不同初始硫濃度(100、300、500、800和1000mg·L-1)的五個樣品。將瓶子在恒溫搖床上放置24小時，直至達到平衡(最終pH值：10.5)。用于床吸附實驗的裝置的示意圖如圖2所示。將碳化纖維填充到玻璃柱中以研究它們的吸附能力。廢水被引入漏斗并通過輸入閥以將流量調節為4–5.10m3·h-1。首先，使用流經柱的蒸餾水潤濕床吸附裝置以改善活性炭纖維的潤濕特性。其次，允許漏斗中的煉油廠廢水樣品內容物通過活性炭床通過重力排放到接收容器。每小時回收處理過的水。

　　圖2：床層吸附實驗。

　　固定床吸附結果

　　如圖3所示安裝吸附床柱，使煉油廠廢水在重力作用下流動。床柱的直徑和高度分別為5.4cm和90cm。針對影響床實驗的幾個參數確定了最佳吸附條件，包括活性炭用量比和流出物流量。使用響應曲面法設計實驗。使用方差分析法對結果進行分析，以檢查參數對處理后廢水的COD的影響。對于16個實驗中的每一個，計算COD。圖3顯示了活性炭用量和廢水流量對再生廢水COD的影響。對于廢水流速高的所有活性炭樣品，COD通過增加劑量質量而提高。然而，在低流速下，COD降低了。總之，OH活性炭是降低煉油廠廢水COD值的最有效吸附劑(與HN活性炭和K活性炭相比)。

　　圖3：COD、(a)OH活性炭、(b)HN活性炭和(c)K活性炭的等值線圖。

　　吸附等溫線建模

　　從水溶液中，在HO活性炭活性炭上對硫化合物的平衡吸附等溫線進行建模和研究。為了描述吸附等溫線的實驗數據，使用了五個數學模型。這項工作的主要目的是選擇最合適的模型來描述吸附等溫線的實驗結果，確定理論吸附等溫線，并給出參數。最初的目標是開發一個雙參數方程，以模擬 HOAC 對硫化合物的吸附。實驗條件如下：初始硫濃度范圍為5至300mg·L−1，150rpm的攪拌，以及25℃的控制溫度。對于所有等溫線模型，使用Qe和Ce的實驗值研究線性方程以確定其線性參數。線性相關系數(R²)用于評估理論值和實驗值之間的相關性。我們可以得出等溫線參數不同的結論。Langmuir模型具有最高的相關系數值(R²=0.98)。這表明硫化合物在合成活性炭上的吸附遵循朗繆爾等溫線。然而，使用Langmuir等溫線獲得的單層吸附容量高于使用其他等溫線模型獲得的單層吸附容量。這表明合成活性炭的所有活性位點都是相似的，并且硫化合物之間沒有相互作用。

　　活性炭去除煉油廠硫化合物的應用，將固體廢物作為碳材料的前體進行了研究。成功合成了一種環保型活性炭作為煉油廠廢水中硫化合物的吸附劑。獲得了吸附硫化合物的動力學和平衡數據，并分別擬合了Langmuir和偽二階模型。結果表明，引入過氧化氫、硝酸和氫氧化鉀可以成功地增加了活性炭的孔徑分布、孔體積和表面積。此外，HO活性炭與HN活性炭和K活性炭相比，去除硫化合物的能力最好。根據響應和方差分析過程，發現在固定床吸附過程中，流出物的流速是降低煉油廠廢水COD最有效的因素。Langmuir模型展示了硫化合物吸附的最佳擬合(R²=0.98)，這意味著它們在合成活性炭上的吸附是均勻的。使用偽一級、偽二級和粒子內擴散方程測試動力學數據。偽二級方程顯示了對動力學數據的最佳描述(R²=0.99)，這意味著這種吸附可以受到化學吸附過程的限制。

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