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生物质基活性炭处理重金属废水研究进展

北极星环保网来源:《现代化工》作者:刘琼2017/6/12 15:35:20我要投稿
所属行业: 水处理  关键词:重金属废水 废水处理 活性炭

北极星环保网讯:摘要:综述了生物质基活性炭用于处理废水中重金属离子常用的制备方法,影响其处理效果的因素。指出通过深入研究活性炭表面的理化性质对重金属离子吸附性能影响,获得孔隙结构和表面官能团对重金属离子吸附量的函数关系,优化制备工艺,可以大大提高对重金属离子的吸附性能,并对今后的研究方向进行了展望。

关键词:生物质基活性炭;理化特性;重金属;吸附

随着城市化进程的加快和工农业的迅猛发展,特别是矿冶、化工、电子等工业的生产过程中,大量含铅、镉、汞、铬、砷、铜、锌、镍等重金属离子的废水未经适当处理直接排放,造成水体污染,严重威胁到人类及其他各类生物的生存,成为全球性的环境问题[1]。

在众多的废水处理方法中,吸附法因其操作简便、处理容量大,能够快速高效地处理低浓度废水(重金属离子浓度小于10mg/L),受到国内外研究者的广泛关注。目前,应用最多的吸附剂是活性炭,它具有孔隙发达、比表面积大、表面官能团丰富等特点,能够有效地去除废水中重金属离子。

但是,高质量的活性炭价格昂贵,且再生效率较低,严重制约其大规模的工业化应用。以农业、林业、生活等废弃生物质(稻壳、羊骨、山核桃壳、米糠等)为材料制备活性炭用于处理废水中重金属离子(Cr6+、Cu2+、Hg2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+等),具有良好去除效果和环境效益[2]。

1生物质基活性炭的制备

生物质基活性炭的制备过程:首先在隔绝空气的条件下,通过热分解脱去生物质中的水分和挥发分,得到具有原始孔结构的炭物质;然后通过活化进一步发展其孔隙结构,得到具有发达孔隙的活性炭产品。活化方法主要分为物理活化法和化学活化法2类[3]。

1.1物理活化法

物理活化法亦称气体活化法,是利用二氧化碳、水蒸汽等气体在700~1000℃高温下,通过氧化反应将炭化物进一步气化[4]。水蒸汽比二氧化碳具有更强的氧化作用,因此制备的活性炭比二氧化碳活化含有更多的含氧官能团,常用于重金属阳离子去除[5]。

González等[6]用水蒸汽活化法制备竹基活性炭吸附Hg2+、Cd2+。结果表明,当活性炭比表面积、总孔容、微孔孔容、表面酸性含氧官能团分别为608m2/g、0.69cm3/g、0.11cm3/g、1.25meq/g时;孔隙结构以中孔为主,Hg2+、Cd2+的最大吸附容量分别为248.05、239.45mg/g。

生物质中含有硫、氮、氧、氢、磷、氯等杂原子,在炭化过程中形成包括碳在内的活性位点,具有一定的酸碱性,有利于对重金属离子的吸附。但由于物理活化温度较高、反应时间较长,绝大多数官能团在活化过程中被分解,制备的活性炭表面往往呈现弱酸性或弱碱性[7]。

Anoop等[8]降低活化温度、缩短活化时间(活化温度为600℃,活化时间为2h),用水蒸汽活化制备甘蔗渣基活性炭吸附Ni2+,制备的活性炭比表面积、阳离子交换能力、表面酸性含氧官能团、灰分分别为536.5m2/g、3.96meq/g、2.30meq/g、5.22%,Ni2+的最大吸附容量140.85mg/g。

甘蔗渣为软壳类木质纤维素,灰分(K、Na、Ca等)含量较高,不利于制备较大比表面积的活性炭,但表面酸性含氧官能团含量较高,提高了阳离子交换能力,同样增加活性炭对Ni2+的吸附量。

1.2化学活化法

化学活化法是通过活化剂与炭化料或原材料之间的一系列交联、缩聚反应,再经过化学药品洗脱步骤而产生丰富的孔隙结构[9]。目前应用较多、较成熟的活化方法有H3PO4活化法、ZnCl2活化法等[10]。H3PO4活化法包括浸渍和活化2个阶段。通过浸渍阶段的脱水和酸催化作用,使大量纤维发生水解,形成纤维磷脂;活化阶段在磷酸促和下发生缩聚反应而芳构化,形成含有丰富孔隙的类似石墨的微晶结构[10]。

Alexander等[11]以杏核和桃核混合为原料,活化温度400~1000℃,浸渍比0.63~1.02,采用H3PO4活化法制备的活性炭均具有较大的阳离子交换能力(CEC),最大的CEC(2.2mmol/g)在800℃获得,这主要与形成的含磷稳定官能团(主要为多磷酸盐与碳形成的P—O—C键)有关,除此之外还有少量的羧基、内酯基和酚基。

因此,H3PO4活化法制备活性炭用于重金属阳离子的吸附具有明显的优越性。然而,活性炭对重金属离子的吸附效果不仅取决于表面官能团的种类和数量,还受孔隙结构分布的影响。研究表明,活性炭吸附利用率最高的孔径与吸附质分子直径的比值为1.7~3.0[12],而重金属离子在水溶液中多以水合离子的状态存在,其半径一般小于0.5nm[13],则有效吸附主要发生在微孔活性炭。

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