焦粉制备活性炭的影响因素研究

焦粉制备活性炭的影响因素研究

活性炭是一种广泛使用的多孔碳吸附材料。广泛应用于轻工业、食品、电子、化工、国防、环境保护等领域。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5mm的焦碳的一种统称。我国每年约有40Mt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。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,是一种优良的制备活性炭的材料。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化厂灰渣质量组成废弃焦粉取自酒泉钢铁集团有限责任公司焦化厂,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仪器、试药与仪器氮气: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;ASAP2000型自动吸附仪:美国麦克仪器公司;Mef3大型金相显微镜:德国铼兹公司;RJXG-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型可见分光光度计:上海精密科学仪器有限公司;AB204-N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8h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。1.4吸附亚甲基蓝的检测焦粉活性炭的吸附性能采用GB/T12496.10—1999《亚甲基蓝吸附值的测定》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。2结果与讨论2.1正交实验结果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,min)、活化温度(记为B,℃)、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,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。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80min,活化温度900℃,碱炭比4,废弃焦粉粒径小于0.05mm。在此最佳条件下制备焦粉活性炭,亚甲基蓝吸附值为304.8mg/g(远高于国家净水炭亚甲基蓝吸附值165mg/g的标准),产率为35.6%。2.2焦粉活性炭的结构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。2.3吸附时间对cr6+去除率的影响将质量浓度为60mg/L的模拟含Cr6+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4g/L,将锥形瓶置于温度为25℃的振荡器上振荡,测定上层清液中Cr6+质量浓度,计算Cr6+去除率,考察吸附时间对Cr6+去除率的影响,实验结果见图3。从图3可见,随吸附时间的延长,Cr6+去除率提高,且吸附时间为50min时,Cr6+去除率达93.2%,达到GB8978—88《污水综合排放标准》。3废弃焦粉对活性炭的吸附行为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80min,活化温度900℃,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0.05mm。在最佳条件下制备的焦粉活性炭的亚甲基蓝吸附值为304.8mg/g,产率为35.6%。b)废弃焦粉与焦粉活性炭表面微观形态的比较结果表明,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