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　　焦炭對(duì)鋼鐵的生產(chǎn)至關(guān)重要，而鋼鐵的生產(chǎn)支撐的是物質(zhì)和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。生產(chǎn)焦炭需要高溫?zé)峤猓@個(gè)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致洗滌產(chǎn)生焦化廢水，水中含有復(fù)雜的污染物混合物，包括有機(jī)物(酚類化合物和多環(huán)芳烴)和無(wú)機(jī)物(氨，硫化物和重金屬)。這些化合物大多數(shù)是有毒的，高度濃縮的。因此，焦化廢水的生產(chǎn)會(huì)對(duì)環(huán)境和生態(tài)有影響。這次的實(shí)驗(yàn)是用煤飛灰改善活性炭的能力，用作吸附劑去除焦化廢水中的重金屬。這將通過(guò)創(chuàng)造增值副產(chǎn)品并通過(guò)生產(chǎn)可持續(xù)吸附材料來(lái)減少焦化廢水對(duì)環(huán)境的影響，從而進(jìn)一步提高生物質(zhì)的廢物轉(zhuǎn)化為生物燃料的經(jīng)濟(jì)可行性。

　　活性炭從水溶液中吸附污染物的測(cè)試方法

　　進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)以確定使用生物炭和活性炭來(lái)模擬來(lái)自模焦化廢水中的重金屬的可能性。一般來(lái)說(shuō)，煤含有各種重金屬，其特征和濃度因礦山和地區(qū)而異。為了選擇一組代表性的重金屬進(jìn)行研究，在任何處理之前從焦炭廠收集焦化廢水樣品，并通過(guò)電感耦合等離子體質(zhì)譜測(cè)試。發(fā)現(xiàn)廢水含有統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著量的Co，Mn，Ni，Zn和Se。這四種金屬在處理后存在于焦化廢水和水中，因此吸附結(jié)果適用于活性炭處理前和處理后的樣品。此處檢測(cè)到的金屬在煤炭廢水和污染水流中的濃度也各不相同，包括：其他廠的焦化廢水樣品，水被煤泥污染等。因此，雖然所有廢水都存在相當(dāng)大的異質(zhì)性，但本研究中使用的四種金屬代表了一般的工業(yè)焦化廢水。

　　測(cè)試方法：將儲(chǔ)備溶液通過(guò)將各種鹽溶解在1L超純水中制備。在室溫23.5±0.5℃下，在4mL玻璃小瓶中進(jìn)行批量吸附實(shí)驗(yàn)，其中活性炭：溶液比為1：400。使用的濃度范圍為10mg L-1至500mg L-1。將小瓶在軌道振蕩器上以190rpm攪拌24小時(shí)。使用0.45μm親水性注射器過(guò)濾器過(guò)濾溶液，并使用濃硝酸稀釋至2%HNO 3基質(zhì)以準(zhǔn)備通過(guò)電感耦合等離子體質(zhì)譜進(jìn)行分析。

　　原材料和活性炭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　活性炭是否可以作為從模擬焦化廢水中去除重金屬的可持續(xù)吸附劑。正如圖1所示，球形煤飛灰顆粒存在于在10%樣品重量比5%的樣品顯著更高的數(shù)字。由于使用氣體活化，三種活性炭樣品顯示出比熱解樣品高至少一個(gè)數(shù)量級(jí)的表面積和孔體積?；钚蕴康目左w積比生物炭的孔體積大10倍以上，但介孔體積僅比熱解炭的體積大2倍。這表明氣體活化除去揮發(fā)性物質(zhì)，由于一些反應(yīng)形成微孔結(jié)構(gòu)，在5wt%原材料的情況下，可以被催化，如先前研究原材料的熱解氣體產(chǎn)率所見(jiàn)。

　　圖1：帶嵌入比例尺的原料和活性炭的SEM圖像。

　　活性炭表面官能團(tuán)

　　表面基團(tuán)的芳香族C-C或C-H隨著活性炭原料在熱解時(shí)的比例增加以及氣體活化而增加可以從圖2中可以看出。這是預(yù)期的，在不完全燃燒和部分氧化可導(dǎo)致在含碳材料內(nèi)形成芳族化合物。含氧官能團(tuán)如C-O，C=O和O.=隨著生物炭和活性炭的煤飛灰比例增加，C-O的相對(duì)面積減小。煤飛灰似乎提高了芳構(gòu)化程度，但顯著降低了羰基的相對(duì)濃度，同時(shí)保持或適度降低了酮和羧酸的性質(zhì)。這可能涉及先前發(fā)現(xiàn)的用于生物質(zhì)和煤飛灰的共熱解的生物燃料的增強(qiáng)的脫氧，并且表明活性炭的表面化學(xué)可以使用煤飛灰作為添加劑來(lái)介導(dǎo)。

　　圖2：活性炭官能團(tuán)的相對(duì)面積。

　　活性炭在廢水處理中的適用性

　　進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和等溫線研究以測(cè)量這些活性炭用于從焦化廢水中吸附重金屬的可能性。動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)顯示快速初始攝取，然后漸近接近平衡，在24小時(shí)內(nèi)達(dá)到(圖3a中的示例動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù))。應(yīng)用偽一階，偽二階和顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型以擬合動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。在所研究的三種動(dòng)力學(xué)模型中，偽二階模型最好地描述了具有顯著更高相關(guān)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(所有重金屬/活性炭的R 2 > 0.98)比其他兩個(gè)型號(hào)高。圖3b顯示了吸附到每個(gè)焦炭樣品的每種金屬的假二級(jí)速率常數(shù)。

　　圖3：活性炭對(duì)重金屬的吸附動(dòng)力學(xué)。

　　雖然煤炭在發(fā)電中的使用可能正在減少，但焦煤在以后仍是一種關(guān)鍵的原材料，它會(huì)產(chǎn)生充滿重金屬污染物的廢水。目前我們測(cè)試了將由煤飛灰和其它生物質(zhì)共熱解產(chǎn)生的活性炭具處理焦化廢水和其他工業(yè)煤水流的能力。在生產(chǎn)活性炭中，添加少量煤灰飛5wt%可改善熱解生物燃料產(chǎn)率和燃料質(zhì)量。然而10wt%的煤飛灰混合物具有比5wt%混合物更低的吸附容量。在總吸附速率方面發(fā)現(xiàn)了相同的趨勢(shì)。這可能是由于芳香特性和表面積/微孔體積的同時(shí)增加。煤飛灰的存在增加了活性炭表面官能團(tuán)的芳香度，同時(shí)減少了羰基但保留了酮?？傊谟蒙镔|(zhì)原料熱解期間使用高達(dá)5wt%的煤飛灰改善了生物燃料產(chǎn)率和質(zhì)量，同時(shí)增強(qiáng)了所得活性炭的吸附能力和從水中去除重金屬的速率，同時(shí)為煤飛灰提供了有益的再利用。