活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭吸附礦井水中的硫酸鹽

　　礦井水是天然水和工業廢水中硫酸鹽污染的源頭。硫酸根離子的去除是采礦，冶金和其他行業的主要挑戰之一。硫酸鹽的存在在礦井水中一般是硫化物元素硫或含硫礦物導致的。如果這類水進入輸水系統，會腐蝕鍋爐和熱交換器中的金屬零件。有幾種去除硫酸鹽的技術，包括化學沉淀法，生物降解，離子交換，電化學方法和吸附方法。這些方法中的某些方法是有限的，因為由于硫酸鹽在水溶液中的高溶解度和穩定性，硫酸鹽的去除是一個復雜的問題。嘗試通過電凝加活性炭吸附耦合工藝用于去除礦井水中的硫酸根離子。與單獨的常規電凝相比，結合了顆粒活性炭吸附的電凝系統效率更高，分離速度更快。

　　活性炭吸附硫酸鹽測試裝置

　　目前尚不知道電凝是否可以與活性炭吸附結合使用，作為從礦井廢水中去除硫酸鹽的可行新技術。所以我們來測試一下如圖1所示，使用有機玻璃反應器在720mL電凝電池(12×10×6cm)中進行活性炭吸附過程。鋁(純度≥99%)用作犧牲電極，不銹鋼用作陰極。每個電極板的有效面積為20cm2。平行的陽極和陰極垂直放置，并隔開一定距離。電極連接到數字直流電源，電壓和電流范圍分別為0-50V和0-5A。每次運行前，電極用細砂紙磨擦，先后用0.2M HCl和蒸餾水洗滌。對于每個實驗運行，將600mL礦井水放入電凝反應器中。使用磁力攪拌器不斷地(200rpm)攪拌溶液。將電流密度，電極間隙，初始pH和反應時間設置為期望值。通過添加0.1M HCl或0.1M NaOH來調節pH，并使用pH計進行測量。所有運行均在室溫(20°C)下進行。

　　圖1：活性炭測試中的電凝設備。

　　吸附硫酸鹽時電流密度的影響

　　電流密度是一個關鍵參數，它不僅影響凝結劑的用量，還影響氣泡的形成速率，氣泡的大小和絮凝物的生長。各種選定的電流密度：0、10、20、30、40、50、60、70、80、90和100mA/cm2在批量實驗中應用了，以建立電凝與活性炭耦合過程的有利電流密度范圍。在30分鐘的反應時間下使用鋁不銹鋼陽極/陰極電極對進行連續電凝工藝，并使用反應器中的活性炭濃度為0.2g/L來研究電流密度對硫酸鹽的影響去除效率。與活性炭吸附工藝相比，電凝加活性炭即使在低電流密度(10mA/cm2)時也可以顯著提高去除效率。如圖2所示，活性炭吸附過程和電凝活性炭吸附偶聯過程的去除效率在5分鐘時分別為2.7%和6.3%，在30分鐘時分別為17.5和54.2%。由于偶合體系中的反應比簡單的活性炭吸附過程更復雜，因此去除效率有所提高。電凝結合活性炭吸附對硫酸鹽去除效率有重要影響。結果表明，去除效率隨著電流密度的增加而顯著提高。電流密度為70mA/cm2時，去除效率最高(88.9%)。這種現象可以歸因于這樣的事實，即在高電流密度下，氧化金屬的數量增加，從而導致大量的Al(OH)3(s)顆粒有利于去除污染物。

　　圖2：電流密度對硫酸鹽去除效率的影響。

　　在經過多種類型的測試后，采用電凝結合活性炭吸附耦合工藝通過分批實驗從礦井水中去除硫酸鹽。與傳統的電凝工藝(24.3%)相比，添加活性炭作為吸附劑的去除效率更高(51.7%)，尤其是在較短的反應時間(10分鐘)內。該耦合系統的成功與吸附劑的特定特性有關。在此優化研究中成功采用了基于三變量(即電流密度，活性炭劑量和反應時間)，五級中央復合實驗設計的響應面方法。發現在合適參數下，最大去除效率為95.2%：電流密度為75mA/cm2，活性炭劑量為0.46g/L，反應時間為19.2分鐘。響應面方法預測值(94.08)在一定程度上與測得的實驗結果一致，但略有偏差。結果表明，使用電凝結合活性炭技術可以很好地從水溶液中去除硫酸鹽。研究結果也為解決礦山廢水工業問題提供了理論依據。

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