活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭吸附矿井水中的硫酸盐

　　矿井水是天然水和工业废水中硫酸盐污染的源头。硫酸根离子的去除是采矿，冶金和其他行业的主要挑战之一。硫酸盐的存在在矿井水中一般是硫化物元素硫或含硫矿物导致的。如果这类水进入输水系统，会腐蚀锅炉和热交换器中的金属零件。有几种去除硫酸盐的技术，包括化学沉淀法，生物降解，离子交换，电化学方法和吸附方法。这些方法中的某些方法是有限的，因为由于硫酸盐在水溶液中的高溶解度和稳定性，硫酸盐的去除是一个复杂的问题。尝试通过电凝加活性炭吸附耦合工艺用于去除矿井水中的硫酸根离子。与单独的常规电凝相比，结合了颗粒活性炭吸附的电凝系统效率更高，分离速度更快。

　　活性炭吸附硫酸盐测试装置

　　目前尚不知道电凝是否可以与活性炭吸附结合使用，作为从矿井废水中去除硫酸盐的可行新技术。所以我们来测试一下如图1所示，使用有机玻璃反应器在720mL电凝电池(12×10×6cm)中进行活性炭吸附过程。铝(纯度≥99%)用作牺牲电极，不锈钢用作阴极。每个电极板的有效面积为20cm2。平行的阳极和阴极垂直放置，并隔开一定距离。电极连接到数字直流电源，电压和电流范围分别为0-50V和0-5A。每次运行前，电极用细砂纸磨擦，先后用0.2M HCl和蒸馏水洗涤。对于每个实验运行，将600mL矿井水放入电凝反应器中。使用磁力搅拌器不断地(200rpm)搅拌溶液。将电流密度，电极间隙，初始pH和反应时间设置为期望值。通过添加0.1M HCl或0.1M NaOH来调节pH，并使用pH计进行测量。所有运行均在室温(20°C)下进行。

　　图1：活性炭测试中的电凝设备。

　　吸附硫酸盐时电流密度的影响

　　电流密度是一个关键参数，它不仅影响凝结剂的用量，还影响气泡的形成速率，气泡的大小和絮凝物的生长。各种选定的电流密度：0、10、20、30、40、50、60、70、80、90和100mA/cm2在批量实验中应用了，以建立电凝与活性炭耦合过程的有利电流密度范围。在30分钟的反应时间下使用铝不锈钢阳极/阴极电极对进行连续电凝工艺，并使用反应器中的活性炭浓度为0.2g/L来研究电流密度对硫酸盐的影响去除效率。与活性炭吸附工艺相比，电凝加活性炭即使在低电流密度(10mA/cm2)时也可以显着提高去除效率。如图2所示，活性炭吸附过程和电凝活性炭吸附偶联过程的去除效率在5分钟时分别为2.7%和6.3%，在30分钟时分别为17.5和54.2%。由于偶合体系中的反应比简单的活性炭吸附过程更复杂，因此去除效率有所提高。电凝结合活性炭吸附对硫酸盐去除效率有重要影响。结果表明，去除效率随着电流密度的增加而显着提高。电流密度为70mA/cm2时，去除效率最高(88.9%)。这种现象可以归因于这样的事实，即在高电流密度下，氧化金属的数量增加，从而导致大量的Al(OH)3(s)颗粒有利于去除污染物。

　　图2：电流密度对硫酸盐去除效率的影响。

　　在经过多种类型的测试后，采用电凝结合活性炭吸附耦合工艺通过分批实验从矿井水中去除硫酸盐。与传统的电凝工艺(24.3%)相比，添加活性炭作为吸附剂的去除效率更高(51.7%)，尤其是在较短的反应时间(10分钟)内。该耦合系统的成功与吸附剂的特定特性有关。在此优化研究中成功采用了基于三变量(即电流密度，活性炭剂量和反应时间)，五级中央复合实验设计的响应面方法。发现在合适参数下，最大去除效率为95.2%：电流密度为75mA/cm2，活性炭剂量为0.46g/L，反应时间为19.2分钟。响应面方法预测值(94.08)在一定程度上与测得的实验结果一致，但略有偏差。结果表明，使用电凝结合活性炭技术可以很好地从水溶液中去除硫酸盐。研究结果也为解决矿山废水工业问题提供了理论依据。

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