山核桃殼活性炭對煤氣洗滌水的吸附凈化

李鄭鑫，諶倫建，葉云娜，徐冰，劉凱，劉建偉，張樂，蘇毓（河南理工大學材料科學與工程學院，河南 焦作 454000）

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研究開發

山核桃殼活性炭對煤氣洗滌水的吸附凈化

李鄭鑫，諶倫建，葉云娜，徐冰，劉凱，劉建偉，張樂，蘇毓
（河南理工大學材料科學與工程學院，河南 焦作 454000）

摘要：以山核桃殼為原料，經磷酸浸漬、炭化和活化后制得活性炭，用SEM和低溫氮氣吸附儀對活性炭進行表征，并用該活性炭對模擬氣化試驗產生的煤氣洗滌水進行吸附凈化，考察活性炭對煤氣洗滌水中揮發酚、TOC、COD、氨氮和微量元素的凈化效果。實驗結果表明：用山核桃殼制備的活性炭具有介孔結構，其孔徑主要分布在 1～6nm范圍內，比表面積達 2959m2/g，孔容積為 2.223cm3/g；該活性炭對揮發酚具有良好的吸附效果，經45h處理對揮發酚的去除率可達99.75%，TOC和COD的去除率分別到達88.33%和65.73%；對氨氮和微量元素也有很好的凈化效果，經15h吸附后氨氮的去除率可達80.71%，微量元素的去除率均達99%以上。

關鍵詞：活性炭；吸附；吸附劑；制備；修復

煤炭地下氣化技術（underground coal gasification，UCG）是集建井、采煤、煤炭氣化為一體，通過燃燒熱化學作用使固體煤層產生可燃氣體[1]，由物理采煤變為化學采煤的采煤技術[2-3]。與地面氣化相比，二者的氣化原理相同[4]，但UCG可以提高煤的開采與利用效率，具有較好的經濟效益和環境效益[5]。

但UCG存在潛在的地下水污染風險[6]。煤炭地下氣化過程中，煤氣會通過圍巖裂隙擴散進入含水層，使得隨煤氣而產生的各種污染物可能溶解于地下水，從而污染地下水。而煤氣中污染物在地下水中的溶解類似于煤氣洗滌過程中污染物在水中的溶解。UCG現場實驗結果表明：有機污染物主要是酚類、苯和少量的多環芳烴及雜環化合物[7]，無機污染物主要是Hg、As、Se、Pb、Sb、Cr、Cd、Co、Ni、Mn、Be等微量重金屬元素[4，8]。活性炭具有豐富孔隙結構和巨大比表面積，是最常用的吸附劑之一，被認為是廢氣和廢水深度處理的理想材料。生物質廢棄物制活性炭由于其成本低且環保的優點，已成為碳材料制備的熱點之一。目前眾多學者已經嘗試使用生物質廢棄物制備成性能較好的活性炭，并將其用于苯酚廢水[9]和染料廢水[10]的吸附凈化中。以山核桃殼為原料制備活性炭（AC），采用電子顯微鏡和吸附儀對活性炭的表面形貌和孔結構進行表征，并研究該活性炭對煤炭氣化模擬實驗煤氣洗滌水中污染物的吸附凈化效果，為凈化UCG過程產生的污水提供參考依據。

1 實驗部分

1.1 AC的制備

山核桃殼用磷酸溶液浸漬 24h，放入反應釜內中在N2保護下以10℃/min的升溫速率升至400℃，進行恒溫3h炭化和活化，然后自然冷卻，用稀鹽酸浸泡除灰，再用去離子水洗滌至中性，烘干，即得核桃殼活性炭。其制備流程見圖1。

1.2 AC的表征

圖1 AC的制備工藝流程

采用JSM-6390LV型掃描電子顯微鏡（SEM）對AC的微觀形貌進行表征，美國康塔公司生產的Autosorb-iQ-MP型全自動物理吸附分析儀對AC的孔結構特征進行表征，在77K下測定AC的吸附等溫線，采用BET（Brunauer-Emett-Teller）法計算比表面積，由相對壓力 P/P0=0.99時的氮氣吸附量計算總孔容，采用密度函數理論（density functional theory，DFT）分析得到孔徑分布。測試前，將樣品在 200℃下脫氣 10h，以除去其中的水分及氣體雜質。

1.3 煤炭地下氣化模擬實驗

實驗用煤為內蒙褐煤，工業分析和元素分析見表 1。UCG模擬實驗系統如圖 2所示：該系統由H2O(g)發生裝置（1、2、3、5）、氣化裝置（6、7）和洗氣瓶等組成。通過水泵和流量計調節氣化劑的供給量。氣化室采用不銹鋼管自制，不銹鋼管內徑20mm，長500mm，一端焊接外徑48mm的圓環（管式爐內徑為 52mm）起支撐作用，另一端焊接直徑48mm圓形鋼板，并在鋼板上開若干小孔便于煤氣流出。

表1 原料煤的工業分析與元素分析

圖2 煤炭氣化實驗系統

原煤經破碎、篩分，取 80g粒度為 5～10mm的煤樣裝填于不銹鋼氣化室內，再將氣化室置于SK-G03123K型管式電阻爐中，然后以10℃/min的速度升溫至1000℃，同時以0.06m3/h速度通入氣化劑氣化3h。將氣化粗煤氣直接通入1L的地下水中，用以模擬氣化過程中有機和無機氣態產物隨煤氣通過圍巖裂隙向地下水層擴散和滲透的過程。氣化結束后的收集煤氣洗滌水。為保證氣化劑與煤樣充分接觸使其盡可能完全氣化，用煤樣填滿氣化室徑向空間，同時在爐內氣化室末端用碎陶瓷片和不銹鋼篩網堵塞。

1.4 AC對煤氣洗滌水的凈化實驗

分別將200mL煤氣洗滌水裝入錐形瓶中，并加入適量AC，然后將錐形瓶放入溫度為25℃，轉速為120r/min的振蕩箱中振蕩，經5h、15h、25h、35h、45h的振蕩吸附，考察其吸附凈化效果。

1.5 吸附前后煤氣洗滌水中污染物的檢測

（1）揮發酚的檢測 委托焦作市環境保護監測站對待測液進行揮發酚含量的測定。根據HJ503—2009《水質揮發酚的測定4-氨基安替比林分光光度法》測定，檢出限為0.01mg/L。

（2）TOC的檢測 用Apollo 9000非分散紅外吸收TOC分析儀，根據HJ 501—2009《水質總有機碳的測定非色散紅外線吸收法》進行檢測。

（3）COD的檢測 根據GB/T11914—89《水質化學需氧量的測定重鉻酸鹽法》檢測待測樣。

（4）氨氮的檢測 用TU-1810紫外可見分光光度計根據HJ 535—2009《水質氨氮的測定納氏試劑分光光度法》檢測待測液中氨氮的含量。

（5）微量元素的檢測 用Varian 820-MS型電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）檢測。

2 結果與討論

2.1 山核桃殼基AC的孔結構

2.1.1 山核桃殼基AC的表面形貌特征

山核桃殼基AC的SEM照片如圖3所示，由圖可以看出，該生物質AC具有不同孔徑的層次結構，孔隙較為發達。AC的吸附主要是依靠其孔隙的比表面積進行的物理吸附。

2.1.2 山核桃殼基AC的孔結構

圖3 AC的SEM照片

AC的孔結構對其吸附性能具有重要影響[11-12]。圖4是AC的N2吸附-脫附等溫線，可以看出：吸附材料 AC的 N2吸附量值很大，最高可達1437cm3/g，吸附性能強。在低壓區吸附量沒有明顯改變，表明微孔很少。相對壓力較高時才有明顯的吸附脫附曲線分離，在相對壓力為0.8時吸附基本上趨于飽和，達到平臺期，說明該AC中存在大量的介孔，是典型的介孔材料。

圖5是AC孔徑分布曲線。由圖5可以看出，AC孔徑主要分布在1～6nm范圍內，其中2～5nm孔徑的孔占主導地位，說明該AC以介孔為主，還有少量微孔，這與吸附等溫線的結論一致。

表2為AC的比表面積和孔結構參數，可以看出其以介孔為主，且比表面積很大，為2959m2/g。該AC豐富的孔結構和比表面積是作為污水凈化材料的基礎。

2.2 AC對煤炭地下氣化煤氣洗滌水的凈化效果

圖4 AC的N2吸附-脫附等溫線

圖5 AC的孔徑分布曲線

表2 AC的比表面積及總孔容

煤炭氣化模擬實驗煤氣洗滌水中揮發酚濃度為16.2mg/L，TOC濃度是343.84mg/L，COD濃度是1172.67mg/L，氨氮的濃度是 187.70mg/L。檢測到的微量元素有Al、As、Cd、Co、Cr、Cu、Zn、Pb、V、Ba、Mn、Ni、Sr和Se等，吸附前后的水樣見圖6。如圖6所示，經過25h震蕩吸附后已接近透明狀態。

2.2.1 AC對煤氣洗滌水中揮發酚的凈化效果

圖7是AC對煤氣洗滌水中揮發酚的吸附效果。隨著吸附時間的延長，揮發酚的濃度不斷降低，AC對揮發酚的去除率先近似于線性增加，后略微降低。經25h吸附后揮發酚濃度由16.2mg/L降為0.47mg/L，去除率為97.10%；經35h吸附后揮發酚濃度為 0.69mg/L，去除率為 95.74%；經45h吸附后揮發酚濃度下降到 0.04mg/L，此時的去除率達99.75%。這是由于在吸附初始階段，AC擁有大量的吸附活力點，能快速捕捉吸附質，故初始階段吸附速率較快；隨著吸附的進行，吸附活力點逐漸減少，吸附動力下降，使吸附后期速率減慢[13]。由于吸附與脫附是一個平行競爭的過程，在吸附25h后出現短暫的脫附占優勢時期，使得在35h時出現去除率略微降低，經過一段時間的競爭后又達到吸附平衡的波動。該 AC對酚類物質的吸附性能非常優秀，在較短時間內幾乎將揮發酚全部吸附。

2.2.2 AC對煤氣洗滌水中TOC的凈化效果

圖8是AC對煤氣洗滌水中TOC的吸附凈化效果。在前5h內TOC的濃度急劇降低，由343.84mg/L降低到135.90mg/L，去除率為60.48%；此后，隨著吸附時間的延長，煤氣洗滌水中TOC的濃度近似成直線下降，經45h吸附處理其TOC降低88.33%。有研究表明：AC的孔隙結構對親水性有機物吸附作用迅速，AC對有機物吸附過程中：主要先集中吸附小分子量有機物。當AC對小分子量有機物吸附基本達到平衡時，才進行對大分子量的有機物的吸附[14]，所以該AC對降低煤氣洗滌水的TOC吸附時間持續較長。

2.2.3 AC對煤氣洗滌水中COD的凈化效果

圖6 煤氣洗滌水凈化前后效果

圖7 AC對煤氣洗滌水中揮發酚的凈化效果

圖8 AC對煤氣洗滌水中TOC的凈化效果

圖9 AC對煤氣洗滌水中COD的凈化效果

圖9是AC對煤氣洗滌水中COD的凈化效果。隨著吸附時間的延長，COD濃度不斷下降，吸附速率較快。經35h吸附處理后煤氣洗滌水中COD的去除率變化趨于穩定，吸附速率也降低。AC吸附45h后，COD的濃度，從凈化前的1172.67mg/L下降到401.91mg/L，降低了65.73%。由于吸附反應優先發生在有豐富吸附活力點的AC表面，隨著吸附點達到飽和，吸附擴散到AC的內部。吸附質分子通過活性炭表面進入層次孔的孔隙進行吸附，而這一過程需要的時間較長。因此，吸附速率明顯下降。再結合2.2.1節和2.2.2節可以發現，該AC對降低煤氣洗滌水中有機物，特別是小分子量有機物具有良好的效果。

2.2.4 AC對煤氣洗滌水中氨氮的吸附凈化效果

煤氣中的氮元素會隨著氣化反應的進行，從煤中釋放出來，進入到煤氣洗滌水中，造成氨氮污染。圖10為AC對煤氣洗滌水中氨氮的吸附凈化效果。處理前煤氣洗滌水中氨氮的濃度是 187.70mg/L，經過 AC吸附處理 15h后氨氮濃度降低到36.22mg/L，去除率達80.71%。此后，煤氣洗滌水中氨氮的去除率趨于穩定。這是由于AC的吸附活力點與氨氮結合較快，在較短時間就能對氨氮的吸附達到飽和。

2.2.5 AC對煤氣洗滌水中微量元素的吸附凈化效果

表3是煤氣洗滌水經AC吸附凈化前后微量元素的濃度對比。結果表明，用該AC吸附45h后，煤氣洗滌水中已經檢測不到 Al、As、Cd、Co、Cr、Cu、Zn、Pb、V和Se等元素，只檢測到Ba、Mn、Ni和Sr元素，說明AC對煤氣洗滌水中的微量元素具有很好的吸附效果。圖11是AC對煤氣洗滌水中Ba、Mn、Ni和Sr的吸附效果與時間的關系。由圖11可見，經AC吸附5h后Ba、Mn、Ni和Sr幾乎全部吸附，去除率均達到99%以上，達到吸附平衡的時間較短。這可能是物理吸附。實驗用的AC具有豐富的介孔，有利于離子的擴散和遷移。當有 AC加入含微量元素的煤氣洗滌水中時，AC表面活性位很快被離子占據而達到飽和。使得該AC對煤氣洗滌水中微量元素具有很好的吸附效果。

圖10 AC對煤氣洗滌水中氨氮的吸附凈化效果

依據我國《地下水質量標準》（GB /T 1484—89）[15]和《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）[16]可知：凈化后的煤氣洗滌水除氨氮值略高于污水排放最高允許濃度外，其他指標均在污水排放允許范圍內。凈化后的煤氣洗滌水屬于Ⅴ類地下水（表4）。

表3 煤氣洗滌水凈化前后微量元素濃度

表4 國家標準中污染物的濃度 單位：mg·L–1

結合該AC的SEM和孔結構的結果，實驗所用山核桃殼制備的AC具有豐富的孔結構，孔徑集中分布在1～6nm之間，且具有少量的微孔分布，均有利于污染物的脫除。上述實驗結果表明，用山核桃殼制備的AC對煤氣洗滌水中有機和無機污染物均有良好的吸附效果，可以用于煤炭氣化煤氣洗滌水的凈化處理，可能是煤炭地下氣化地下水修復的良好修復材料。

圖11 AC對煤氣洗滌水中部分元素的凈化效果

3 結 論

用山核桃殼自制活性炭對煤炭氣化模擬試驗煤氣洗滌水進行凈化吸附實驗，得到如下結論。

（1）以山核桃殼為原料，經炭化和活化可制得具有介孔結構、吸附性能優良的活性炭，其比表面積為2959m2/g。

（2）山核桃殼活性炭對揮發酚很好的吸附效果，經過45h吸附后煤氣洗滌水中揮發酚的去除率可達99.75%；且能有效降低煤氣洗滌水的TOC和COD，經45h處理后TOC和COD分別降低88.33% 和65.73%。

（3）山核桃殼活性炭對煤氣洗滌水中氨氮、微量元素也有良好的吸附效果，經活性炭15h吸附后氨氮去除率達到80.71%，經活性炭5h吸附后微量元素的去除率達到99%以上。

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第一作者：李鄭鑫（1990—），男，碩士研究生，從事潔凈煤技術的研究。E-mail 595723767@qq.com。聯系人：諶倫建，教授，博士生導師。E-mail lunjianc@hpu.edu.cn。

中圖分類號：TQ 424.1

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6613（2016）07-2236-07

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.07.041

收稿日期：2015-12-03；修改稿日期：2015-12-31。

基金項目：國家自然科學基金（51174077，51404098）及教育部博士點基金（20124116110002）項目。

Purification of gas washing water from underground coal gasification by activated carbon prepared from pecan shell

LI Zhengxin，CHEN Lunjian，YE Yunna，XU Bing，LIU Kai，LIU Jianwei，ZHANG Le，SU Yu
（School of Materials Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，Henan，China）

Abstract：Activated carbon with pecan shell as raw material，after phosphate impregnation，carbonization and activation，can be produced.The surface morphology and pore size distribution of the activated carbons were characterized by SEM and nitrogen adsorption measurement.Furthermore，gas washing water from model test of underground coal gasification was purified by pecan shell activated carbon.The removal effects of volatile phenol，TOC、COD、ammonia and some elements were investigated.Results showed that the specific surface area and total pore volume of prepared activated carbon can be 2959m2/g and 2.223cm3/g.It incorporate both micro-pore and meso-pore with pore size range of 1—6nm.The removal rates of volatile phenol，TOC and COD values by pecan shell activated carbon after 45h can be 99.75%，88.33% and 65.73%，respectively.The removal rates of ammonia and trace elements after adsorption for 15 h reaches 80.71% and higher than 99%.

Key words：activated carbon；adsorption；adsorbents；preparation；remediation