活性炭國(guó)家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　石油工業(yè)的主要副產(chǎn)物之一是生產(chǎn)用水，即與油一起產(chǎn)生的水，以及在回收過(guò)程中注入的水。工業(yè)中生產(chǎn)用水通常被碳?xì)浠�合物污染，必須在再注入或處置之前將其除去。目前，有不同的處理方法從生產(chǎn)用水中去除油，包括吸附，過(guò)濾，反滲透，浮選和凝固等。由于其簡(jiǎn)單性和有效性，吸附是水中除油中常用的技術(shù)。用于處理產(chǎn)出水的典型吸附劑是活性炭和最近的納米材料。不過(guò)目前生物過(guò)程是一種新興技術(shù)，能夠解決這些問(wèn)題，因?yàn)樘囟ㄎ⑸�物能夠催化水中混溶的碳�(xì)浠�合物。本次測(cè)試使用活性炭負(fù)載微生物講解生產(chǎn)用水中的碳?xì)浠�合物�?/p>

　　研究測(cè)試材料準(zhǔn)備

　　活性炭的化學(xué)改性：初始浸漬法用于表面改性。將氫氧化鉀和磷酸改性活性炭在110℃下干燥24小時(shí)。根據(jù)它們分別包含P或N雜原子的溶解度，用最少量的水或乙醇制備適量的改性劑，磷酸和三聚氰胺。然后將溶液緩慢滴在每種材料上。浸漬的活性炭在IR燈下干燥24小時(shí)，然后使用管式爐在3立方米每分鐘的氮?dú)饬飨略?00℃下加熱1小時(shí)。最后，合成了四種活性炭，并且選擇合適的活性炭負(fù)載上斯氏假單胞菌。

　　油-水乳液的制備：通過(guò)混合NaCl和去離子水制備鹽水(鹽水)以獲得2%的H 2 O質(zhì)量分?jǐn)?shù)。原油和鹽水以10000rpm進(jìn)行20分鐘制成油-水乳液。使用UV-VIS分光光度計(jì)，通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察油滴的大小和吸光度的變化，監(jiān)測(cè)乳液的穩(wěn)定性。通過(guò)混合苯、甲苯和苯酚600毫克在去離子水中混合10分鐘制備具有特定烴鹽水。

　　活性炭的特性

　　如圖1所示(a)氫氧化鉀和(b)磷酸活性炭的形態(tài)。都是是無(wú)定形顆粒的三維網(wǎng)絡(luò)。特別是氫氧化鉀，它呈現(xiàn)出更大更廣的單位。在視覺上，磷酸孔隙小于氫氧化鉀。總的來(lái)說(shuō)，活性炭的表面主要由碳(>85%)和氧(7.7%)原子構(gòu)成。由于用于活化的H 3 PO 4，磷酸活性炭顯示出殘留的磷(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.7%)。

　　圖1：通過(guò)用(a)氫氧化鉀和(b)磷酸化學(xué)活化活性炭的微觀結(jié)構(gòu)，通過(guò)SEM分析估計(jì)。

　　烴類降解試驗(yàn)

　　活性炭載微生物從油鹽水乳液中去除芳烴的能力如圖2所示。在與常規(guī)的氫氧化鉀活性炭被用作對(duì)照。特別是，使用常規(guī)的活性炭，苯和甲苯的吸附效率大于90%，而它們吸附苯酚的能力小于70%。可以通過(guò)考慮吸附物之間的極性差異來(lái)解釋這些結(jié)果。使用活性炭和載微生物活性炭的苯酚去除效率之間的比較顯示了通過(guò)微生物固定修改活性炭孔隙空間的方式。由于施氏假單胞菌消耗苯酚的能力較低，因此去除嚴(yán)格限于吸附過(guò)程。

　　圖2：芳香族烴脫除通過(guò)用氫氧化鉀與三聚氰胺官能化的化學(xué)活化制備的活性炭，負(fù)載微生物的活性炭材料。

　　簡(jiǎn)而言之，使用活性炭(60%-93%)和載微生物活性炭(16%-84%)比游離的無(wú)活性炭載體的微生物(1%-47%)更好地去除芳香烴。材料的孔隙率和吸附偶極性有利于吸附。常規(guī)活性炭表現(xiàn)出高度的微孔性，其中可以容納分子量約為100�镜谋剑�甲苯和苯酚。活性炭的非極性特征保證了碳?xì)浠�合物的疏水吸引力，也是非極性的。活性炭陽(yáng)離子表面有利于芳烴保留，因?yàn)榉辑h(huán)中的π電子與表面陽(yáng)離子靜電連接。使用常規(guī)活性炭和載微生物活性炭的原油去除能力如圖3所示。使用游離的微生物和油-鹽水乳液作為對(duì)照。

　　圖3：原油通過(guò)有和沒有與三聚氰胺官能化和微生物由氫氧化鉀化學(xué)活化制備的活性炭除去。

　　分別使用微生物和四種活性炭24小時(shí)后，油-鹽水乳液中去除的原油總量分別為21.9%，75.1%，62.3%，48.5%和37.4%。通常，常規(guī)活性炭去除了比活性炭載微生物材料更高量的原油。這可能是由于吸附對(duì)的高物理化學(xué)親和力，可以通過(guò)范德瓦爾斯相互作用來(lái)控制。活性炭的高孔隙率有益于原油組分的物理吸附。去除基礎(chǔ)材料和載微生物材料之間的差異在于不同量的可用活性位點(diǎn)，其在微生物材料中較少，因?yàn)槲⑸�物沉積在孔中。通過(guò)考慮活性炭以更大比例固定微生物并呈現(xiàn)更好的多孔性質(zhì)來(lái)解釋這些發(fā)現(xiàn)。

　　雖然有結(jié)果表明除油效率高于本研究所達(dá)到的效果(在不到24小時(shí)內(nèi)去除率≥90%)，但這些結(jié)果是用吸附劑和非催化劑獲得的，因此優(yōu)點(diǎn)是部分的。它們沒有解決解吸問(wèn)題，例如在目前使用活性炭載微生物的實(shí)驗(yàn)中。微生物的催化作用被確認(rèn)為存在少量的碳?xì)浠�合物，例如喹啉胺，苯并喹啉，環(huán)己硅氧烷，戊二烯和環(huán)戊烷，它們僅在存在游離或活性炭固定的微生物時(shí)觀察到，與常規(guī)活性炭處理不同。

　　該研究調(diào)查了活性炭載微生物用于催化鹽水包油乳液中的碳?xì)浠�合物和原油的能力。結(jié)果表明，活性炭的大孔性對(duì)于微生物固定是必不可少的，用于容納烴的微孔性和用于這些吸附物的靜電穩(wěn)定的高pH PZC。使用常規(guī)活性炭(吸附：60%-93%)和微生物活性炭(催化：16%-84%)與游離的微生物(生物處理：1-47%)相比，芳香烴的去除略微更有效。與純吸附方法相比，較低的去除百分比通過(guò)用于除油的催化途徑得到補(bǔ)償。僅在存在游離或活性炭固定的微生物情況下存在少量碳?xì)浠�合物就證明了這一點(diǎn)。

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