焦粉活性炭的制备及其应用

废弃焦粉 y 破碎 y 氧化预处理 y 活化 y 酸洗 y 脱灰 y 水洗 y 干燥 y 焦粉活性炭
图 1 制备焦粉 活性炭的工艺流程
1. 4 焦粉活性炭的表征 焦粉活性炭的吸附性能采用 GB /T 12496. 10)
19995亚甲基蓝吸附值的测定 6进行分析; 废弃焦粉 和焦粉活性炭的表面微观形态采用大型金相显微镜 进行分析。
分光光度计: 上海精密科学仪器有限公司; AB 204N 型电子分析天平: 梅特勒 - 托利多仪器有限公司。 1. 3 焦粉活性炭的制备
制备焦粉活性炭的工艺流程见图 1。将废弃焦 粉破碎, 分别取不同粒径的废弃焦粉与硝酸钾在一 定温度、氮气保护下进行氧化预处理, 然后按一定的 碱炭比 (氢氧化钾与废弃焦粉的质量比 ) 混合均匀, 加适量水搅拌成糊状, 密闭 8 h 后置入坩埚。在氮 气保护下, 在不同温度、不同恒温时间条件下进行活 化, 得粗制焦粉活性 炭。经酸洗、脱灰、水洗、干 燥 后, 得精制焦粉活性炭。
2 结果与讨论
2. 1 焦粉活性炭制备条件的优化 用废弃焦粉制备焦粉活性炭的影响因素主要有
活化时间 (记为 A, m in) 、活化温度 ( 记为 B, e ) 、碱 炭质量比 (记为 C )、废弃焦粉粒径 ( 记为 D, mm ) , 采用四因素四水平优化实验条件 [ 7] , 以亚甲基蓝吸 附值作为评价指标, 正交实验因素水平及结果分别 见表 1、表 2。
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编号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 k1 k2 k3 k4 R
表 2 正交实验结果
亚甲基蓝吸附值 /
A
B
C
D
(m g# g- 1 )
1
1
1
1
1
2
2
2
1
3
3
3
1
4
4
4
2
1
2
3
2
2
1
4
2
3
4
1
2
4
3
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3
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3
4
3
2
4
3
3
3
1
2
3
4
2
1
4
1
4
2
4
2
3
1
4
3
2
4
4
4
1
3
157. 5 172. 9 166. 9 184. 9
163. 5 147. 0 162. 0 148. 1
137. 2 54. 8 170. 6 147. 0
130. 9 214. 9 90. 0 109. 5
32. 6 160. 1 80. 6 75. 4
270. 0 172. 5 63. 0 124. 5 198. 0 120. 0 51. 0 285. 0 148. 5 109. 5 60. 0 232. 5 75. 0 186. 0 45. 0 217. 5
活性炭是一种多孔性碳吸附材料, 被广泛应用 于轻工、食 品、电 子、化 工、国 防、环 境 保 护 等 领 域 [ 1] 。工业上生产活性炭的主要原料是木材和煤。 随着人们对环境保护的重视和能源资 源的日趋紧 张, 探索适合活性炭生产要求的新原料, 特别是廉价 活性炭的制备和应用, 具有重要意义。焦粉是冶金、 化工、电石等行业在焦炭破碎过程中产生的粒径小 于 5 mm 的焦碳的一种统称。我国每年约有 40 M t 左右的焦粉因粒径小不能作为生产原料而被废弃, 大部分焦粉被当作低级 燃料廉价处理 [ 2] 。废弃焦 粉的物化性质与大块焦炭相差不大, 具有固定碳含 量高、灰分和挥发分含量低、强度高等特点, 与石油 焦一样能满足活性炭材料的各项要求, 是一种优良
2007年第 27卷第 5期
化工 环保 ENV IRONM ENTA L PROT ECT ION O F CHEM ICA L INDU STRY
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焦粉活性炭的制备及其应用
雒和明, 冯辉霞, 王 毅, 张德懿, 赵 霞
(兰州理工大学 石油化工学院, 甘肃 兰州 730050 )
[ 摘要 ] 用废弃焦粉制备焦粉活性炭, 通过 正交实验 考察了各 种因素对 焦粉活性 炭性能的 影响。实验 结果表明: 在 活化 时间 80
( Co llege of Petrochem ical T echno logy, L anzhou U n iversity of Techno logy, L anzhou G ansu 730050, C h ina)
Abstract: A ct iv ated carbon w as prepared from w aste coke pow der and the facto rs af fect ing the perfo rm ance o f the produc t w ere studied by m eans o f o rthogona l experim ents. T he experim ent resu lts show tha :t U nder the optim um condition s o f activat ion tim e 80 m in, activ ation tem perature 900 e , m ass ratio of KOH to w aste coke pow der 4, size o f w a ste coke pow der less than 0. 05 mm, the product w ith y ield 35. 6% has 304. 8 m g / g o f absorb ing capacity fo r m ethy lene blue; T he activation o f w aste coke pow der is a pro cess o f redox reaction m ak ing m any ho le structure on the coke part ic les v ia co rro sion w ith activa to r; T he activated carbon prepared under the optim um conditionsw as used to treat the sim u la ted w astew a ter con taining chrom ium w ith 60 m g /L o f m ass concentration. W hen the w a stew ater pH is 3- 4, the do sage o f activated carbon is 4 g /L and the abso rpt ion tim e is 50 m in, the rem ova l rate o f chrom ium is 93. 2% . Key words: coke pow der; activated carbon; preparation
2. 2 表面微观形态 用大型金相显微 镜对废弃焦粉 和焦粉活性炭
的表 面微 观 形态 进 行分 析, 结 果 见图 2。 由图 2 ( a) 可见, 废弃焦粉的结晶度高、结构致密, 并已部 分石墨化, 表面形态主要表现为纤维状结 构, 微晶
第 5期
雒和明等. 焦粉活性炭的制备及其应用
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排列定向、规整, 活化点较少。但废弃焦 粉表面仍 存在少量炭化形成的大孔, 大孔的存在为焦粉活 性炭内部丰富的微孔结构的产生提供了 必要的场 所。由图 2( b) 可 见, 焦 粉活 性炭的 结构 疏松, 形 成了大量的孔结构。因此可认为, 废弃焦粉的活
化必然是活化剂刻蚀其颗粒 形成丰富孔结构的氧 化还 原 反 应 过 程。根 据 实 验 现 象 并 参 照 邢 伟 等 [ 4~ 9] 对活化剂机理的研究结果可初步确定: 由于 废弃焦粉和 石油焦 材料的 相似性, 决 定了 它们的 活化机理基本相似。
表 1 正交实验因素水平
因素
水平
A
B
C
D
1
10 0
8 50
6
< 0. 05
2
80
7 50
5
0. 05~ 0. 08
3
60
6 50
4
0. 08~ 0. 18
4
40
9 00
3
0. 18~ 0. 50
从表 2可见, 各因素对亚甲基蓝吸附值影响的 大小顺序为 B > C > D > A。通过正交实验确定的 最佳条件为: 活化时间 80 m in, 活化温度 900 e , 碱 炭比 4, 废弃焦粉粒径小于 0. 05 mm。在此最佳条 件下制备 焦粉 活 性炭, 亚 甲 基蓝 吸 附值 为 304. 8 m g /g ( 远高于国家净水炭亚甲基蓝吸附值 165 m g / g的标准 ) , 产率为 35. 6% 。
氮气: 纯度 99. 9% ; 硝酸钾、氢 氧化钾、亚甲基 蓝、硫酸铜、氢氟酸: 分析纯。
F80 型粉碎机: 北京 科伟永鑫 仪器有限 公司; A SA P2000型自动吸附仪: 美国麦克仪器公司; M ef3 大型金相显微镜: 德 国铼兹公司; R JXG - 5- 13型 高温箱式电阻炉: 北京永光明医疗仪器厂; 85- 2型 恒温磁力搅拌器: 国华电器有限公司; 7230G 型可见
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化工 环保 ENV IRO NM EN TAL PRO TECT ION O F CHEM ICA L INDU STRY
2007年第 27卷
厂, 灰黑色, 质量组 成: 固 定碳为 77. 69% , 灰分为 15. 40% , 挥发 分为 3. 55% , 水分 为 2. 46% , 硫为 0. 90% 。 1. 2 试剂和仪器
图 2 表 面微观形态
2. 3 焦粉活性炭处理含 Cr6 + 废水 将质量浓度为 60 m g /L 的模拟含 C r6 + 废水放
入 8个锥形瓶中, 调节废水 pH 为 3~ 4, 最佳条件下 制备的焦粉活性炭加入量为 4 g /L, 将锥形瓶置于 温度为 25 e 的振荡器上振荡, 测定上层清液中 C r6+ 质量浓度, 计算 C r6 + 去除率, 考察吸附时间对 C r6+ 去除率的影响, 实验结果见图 3。
[文献标识码 ] A
[ 文章编号 ] 1006- 1878 ( 2007) 05 - 0481- 03
Preparation of A ctivated Carbon from Coke Powder and Its App lication
Luo H em ing, F eng Hu ix ia, W ang Yi, Zhang D ey i, Zhao X ia
图 3 吸附时间对 C r6+ 去除率的影响
从图 3可见, 随吸附时间的延长, C r6+ 去除率提 高, 且吸附时间为 50 m in时, C r6+ 去除率达 93. 2% , 达到 GB 8978) 885污水综合排放标准 6。
3 结论
a)用废弃焦粉制备焦粉活性炭, 通过正交实验确 定的最佳条件为: 活化时间 80 m in, 活化温度 900 e , 碱炭比 ( 氢氧化钾与废弃焦粉的质量比 ) 4, 废弃焦粉 粒径小于 0. 05 mm。在最佳条件下制备的焦粉活性 炭的亚甲基蓝吸附值为 304. 8 m g /g, 产率为 35. 6% 。
的制备活性炭的材料 [ 3~ 6] 。 本工作用废弃焦粉制备焦粉活性炭, 考察了各
种因素对焦粉活性炭性能的影响。
1 实验部分
1. 1 废弃焦粉的性质和组成 废弃焦粉取自酒泉钢铁集团有限责任公司焦化
[ 收稿日期 ] 2007- 02- 27; [修订日期 ] 2007- 03- 28。 [ 作者简介 ] 雒和明 ( 1971) ) , 男, 甘肃省 天水市 人, 硕士, 工程师, 主要 研 究 方 向 为 应 用 化 学。电 话: 13038737009; 电 邮: luohm @ lu .t cn。 [ 基金项目 ] 甘肃省环保局科研基金资助项目 ( GH 2003- 8)。
m in、活化温度 900 e 、碱炭比 (氢氧化钾与废弃焦粉的质量比 ) 4、废弃焦粉粒径 小于 0. 05 mm 的最佳条件下, 制备的焦粉活 性炭
的亚甲基蓝吸附值为 304. 8 m g / g, 产率为 35. 6% ; 废弃焦粉的活化是活化剂刻蚀其颗粒形成丰富孔结构的氧化还原反 应过程; 用
最佳条件下制备的焦粉活性炭处理质量浓度为 60 m g /L 的模拟含 C r6+ 废水, 在废水 pH 为 3~ 4、焦粉活性炭加入量为 4 g /L、吸附
时间为 50 m in 的条件下, C r6+ 去除率达 93. 2% 。
[关键词 ] 焦粉; 活性炭; 制备
[ 中图分类号 ] TQ 424. 1