煤基制備活性炭及其吸附性能研究

張 瓊

(大同煤業金鼎活性炭有限公司，山西 大同 037000)

引 言

吸附過程廣泛應用于工業和生活中很多領域，其中，吸附劑的選擇在吸附過程中起主導作用。高比表面積活性炭(HSSAAC)由于其發達的孔隙形態被廣泛地用作吸附劑。目前，被用作活性炭前體的主要為煤炭，以煤為原料生產高比表面積活性炭，具有發達的微孔結構和超強的吸附性能，在材料領域有較好的應用前景。活性炭的制備方法通常情況下有兩種，即氣體活化法和化學活化法，其中，化學活化法常見的化學活化劑有并且以NaOH為活化劑制得的活性炭的吸附性能較優異。高比表面積活性炭(HSSAAC)作為一種優異的吸附劑，由于其比表面積大，化學性能穩定，吸附性能好，易得，低成本等優良性能，已被廣泛應用于廢水處理。含酚廢物是有機廢水的重要代表物質，對生態系統構成很大的威脅，本文闡述了以太原無煙煤來制備高比表面積活性炭，研究了活性炭的孔形態和比表面積，檢測了所合成的高比表面積活性炭(HSSAAC)對苯酚吸附性能，為拓寬煤炭在深加工領域的應用提供理論基礎[1-3]。

1 實驗部分

1.1 原料煤的分析

選用太原無煙煤為原料制備活性炭。首先，對原料煤進行預處理，將原煤研磨成小顆粒，使用50目(0.3 mm)篩子篩選出顆粒尺寸50目以下的原煤粉末[4]。其次，進行元素分析測試，結果如表1。

表1 太原無煙煤的元素分析 %

1.2 高比表面積活性炭的制備和苯酚吸附測試

合成部分分為2個步驟：研磨的小顆粒煤粉在一個封閉環境及熱解溫度500 ℃下制備碳化產品，碳化產品和氫氧化鈉(NaOH)以1∶1的質量比物理混合并研磨0.5 h。將混合物裝入封閉的坩堝中于37 ℃化學活化，在空氣條件下分別在500 ℃、600 ℃和700 ℃下等溫加熱2 h后冷卻到室溫。隨后，所得樣品用HCl洗滌，再用蒸餾水徹底洗滌至最終濾液的pH約為7.0，將樣品過濾、干燥并依次粉碎即得活性炭樣品。

吸附實驗通過將1.50 g所合成的活性炭材料浸入1 000 mL含酚溶液來測定，苯酚的初始質量濃度為1 500 mg·L-1，以200 r·min-1的轉速裝入恒溫搖床中，溫度為303 K，為了分析吸附過程中的苯酚濃度變化，不同時間離心出固體后，取用液體測試紫外光譜，通過光譜強度測試平衡濃度和瞬時濃度。分析波長設定為270 nm。每個苯酚濃度的測定分別進行3次平行實驗，該算術平均值指定為最終的苯酚濃度。苯酚在活性炭上的吸附量Qt(mg·g-1)，使用方程(1)來計算：

Qt=V×(C0-Ct)/m

(1)

其中：V(L)為含苯酚溶液體積，mL；C0為初始值，mg/L；苯酚濃度Ct為瞬時苯酚濃度，mg/L；對應時間為t,h；m是所測樣品的質量，g。為了提高實驗吸附數據的準確性，進行空白實驗作為對比，對每批苯酚吸附實驗使用蒸餾水進行液體紫外，所有測得的苯酚吸附數據已經被扣除背景。

1.3 活性炭孔徑分布測試實驗儀器方法說明

本研究采用N2吸附/脫附儀對樣品的吸附性能進行了表征，分別測得了不同溫度下制備的樣品的孔徑分布、比表面積和孔體積。使用美國Quantachrome公司提供的NOVA 4200e氣體吸附分析儀進行吸附/解吸測試，測試溫度為77.4 K，相對壓力(P/P0)在0.05～0.30，在分析之前，所有的樣品都在100 ℃真空條件下12 h作完全脫氣處理。樣品的比表面積計算使用BET模型根據相應的氮吸附數據算出。

2 結果與討論

2.1 孔結構表征

原始氮吸附/解吸曲線如圖1所示，孔結構參數在表2中列出。如圖1所示，所有樣品的吸附等溫線都遵循I型等溫線的趨勢，說明樣品具有多種孔結構，存在大量微孔。表2中具體數據參數表明，樣品的孔隙面積和孔體積隨著活化溫度升高而增加。這是由于，在較低的活化溫度下，有機物釋放出來碳原子與部分NaOH反應產生出一些微孔，在較高的活化溫度下，碳原子更多地被消耗和釋放，增強了活化強度，造出相對大一些的孔。

圖1 在77 K溫度下，500 ℃、600 ℃和700 ℃條件活化樣品的氮吸附/解吸等溫線

樣品SBET/m2·g-1Smic/m2·g-1Smes/m2·g-1Vmic/cm3·g-1Vmes/cm3·g-1Dpnm500℃430.51249.98177.860.1530.0911.128600℃570.22272.58298.440.1740.1531.150700℃820.49289.98527.630.2270.2311.151

2.2 活化溫度和苯酚溶液最初濃度對實驗的影響

我們認為500 ℃、600 ℃和700 ℃條件下活化樣品對苯酚吸附性能不同，隨著活化溫度的升高，活性炭的孔隙形態和比表面積增加。通過實驗證明實驗結果與推測結果相似，700 ℃活化樣品表現出最好的苯酚吸附性能，吸附值為298 mg/g。隨后，我們選取700 ℃活化樣探究了苯酚溶液最初濃度對對苯酚吸附速率的影響，結果如表3所示。初始吸附率隨初始苯酚濃度升高而增大，這與苯酚傳質驅動力增強有關，苯酚本身濃度越高，吸附動力學驅動力會越大，從而增大最初的吸附速率。

表3 700 ℃條件活化樣品的苯酚吸附速率

3 結論

本文介紹了兩步熱解法太原無煙煤制備高比表面積活性炭，探究了500 ℃、600 ℃和700 ℃ 3個不同活化溫度產生活性炭的孔徑分布，結果表明，最佳活化溫度為700 ℃，樣品具體的比表面積為820.49 m2·g-1，苯酚吸附測試證實該樣品具有優異的苯酚吸附性能，最大苯酚吸附容量可達298 mg·g-1。結果證明了兩步熱解法太原無煙煤制備高比表面積活性炭具有較短的活化時間和較低的制造成本，有很好的應用潛力。

參考文獻：

[1] 陳雯，劉中華，范艷青，等.褐煤活性炭的制備與性能研究[J].煤炭轉化，2004，27(2):61-64.

[2] 解強.炭化過程控制及煤基活性炭制備的研究[D].徐州:中國礦業大學,1996:37-46.

[3] 李懷珠,田熙良,程清俊,等.煤質活性炭的原料、預處理及成型技術綜述[J].煤化工,2007,35(5):39-42.

[4] Almansa C，Molina-Sabio M，Rodriguez-Reinoso F. Adsorption of methane into ZnCl2-activated carbon derived discs[J]. Microporous and Mesoporous Materials，2004，76 (1-3):185-191.