活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭去除炼油厂硫化合物的应用

　　炼油是石油加工过程中必不可少的工序，它使用大量的化学产品并产生固体废物和废水，这些被认为是危险废物。事实上，炼油厂废水含有大量的重金属、酚类、苯和COD。近年来，由于工业和城市使用石油产品的增加，炼油厂废水污染有所增加。使用吸附方法处理炼油厂废水，选择这种方法是基于其去除有毒化合物的高潜力及其成本效益。这期展示了如何使用活性炭有效去除炼油厂废水中硫污染物的材料。

　　活性炭表征

　　通过煅烧和HNO3、H2O2和KOH活化，废棉纤维成功转化为不同结构的活性炭。图1显示了三种活性炭的SEM图像。可以看出，化学活化有助于大孔隙的形成。在整个纤维长度上可以观察到一个空心芯，直径约为0.5–5.0µM，形状几乎为圆形。活性炭具有高度多孔的结构，核心直径在大约0.5和5μM之间(图1b,d)。这种大孔隙率可能与纤维内壁木质素的化学破坏有关。参考活性炭(图1a)呈现大孔隙，而形态特征是纤维中芯的出现，其直径取决于活化剂。使用过氧化氢作为活化试剂获得最大直径(图1b)。如图1b-d所示，前体的结构(最初具有干净的表面)在每次化学处理后都会被破坏。有趣的是，其中一种活性炭的表面在化学活化的影响下发生明显变化(与其他活性炭相比)。

　　1：活性炭的SEM图像：(a)参考活性炭，(b)HNO3活化，(c)H2O2活化，和(d)KOH活化。

　　床吸附实验

　　通过在密封玻璃瓶中将已知量(4.0g)的活性炭与50mL实际废水样品进行反应，进行批量吸附平衡实验。测试了具有不同初始硫浓度(100、300、500、800和1000mg·L-1)的五个样品。将瓶子在恒温摇床上放置24小时，直至达到平衡(最终pH值：10.5)。用于床吸附实验的装置的示意图如图2所示。将碳化纤维填充到玻璃柱中以研究它们的吸附能力。废水被引入漏斗并通过输入阀以将流量调节为4–5.10m3·h-1。首先，使用流经柱的蒸馏水润湿床吸附装置以改善活性炭纤维的润湿特性。其次，允许漏斗中的炼油厂废水样品内容物通过活性炭床通过重力排放到接收容器。每小时回收处理过的水。

　　图2：床层吸附实验。

　　固定床吸附结果

　　如图3所示安装吸附床柱，使炼油厂废水在重力作用下流动。床柱的直径和高度分别为5.4cm和90cm。针对影响床实验的几个参数确定了最佳吸附条件，包括活性炭用量比和流出物流量。使用响应曲面法设计实验。使用方差分析法对结果进行分析，以检查参数对处理后废水的COD的影响。对于16个实验中的每一个，计算COD。图3显示了活性炭用量和废水流量对再生废水COD的影响。对于废水流速高的所有活性炭样品，COD通过增加剂量质量而提高。然而，在低流速下，COD降低了。总之，OH活性炭是降低炼油厂废水COD值的最有效吸附剂(与HN活性炭和K活性炭相比)。

　　图3：COD、(a)OH活性炭、(b)HN活性炭和(c)K活性炭的等值线图。

　　吸附等温线建模

　　从水溶液中，在HO活性炭活性炭上对硫化合物的平衡吸附等温线进行建模和研究。为了描述吸附等温线的实验数据，使用了五个数学模型。这项工作的主要目的是选择最合适的模型来描述吸附等温线的实验结果，确定理论吸附等温线，并给出参数。最初的目标是开发一个双参数方程，以模拟 HOAC 对硫化合物的吸附。实验条件如下：初始硫浓度范围为5至300mg·L−1，150rpm的搅拌，以及25℃的控制温度。对于所有等温线模型，使用Qe和Ce的实验值研究线性方程以确定其线性参数。线性相关系数(R²)用于评估理论值和实验值之间的相关性。我们可以得出等温线参数不同的结论。Langmuir模型具有最高的相关系数值(R²=0.98)。这表明硫化合物在合成活性炭上的吸附遵循朗缪尔等温线。然而，使用Langmuir等温线获得的单层吸附容量高于使用其他等温线模型获得的单层吸附容量。这表明合成活性炭的所有活性位点都是相似的，并且硫化合物之间没有相互作用。

　　活性炭去除炼油厂硫化合物的应用，将固体废物作为碳材料的前体进行了研究。成功合成了一种环保型活性炭作为炼油厂废水中硫化合物的吸附剂。获得了吸附硫化合物的动力学和平衡数据，并分别拟合了Langmuir和伪二阶模型。结果表明，引入过氧化氢、硝酸和氢氧化钾可以成功地增加了活性炭的孔径分布、孔体积和表面积。此外，HO活性炭与HN活性炭和K活性炭相比，去除硫化合物的能力最好。根据响应和方差分析过程，发现在固定床吸附过程中，流出物的流速是降低炼油厂废水COD最有效的因素。Langmuir模型展示了硫化合物吸附的最佳拟合(R²=0.98)，这意味着它们在合成活性炭上的吸附是均匀的。使用伪一级、伪二级和粒子内扩散方程测试动力学数据。伪二级方程显示了对动力学数据的最佳描述(R²=0.99)，这意味着这种吸附可以受到化学吸附过程的限制。

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