不同载硫量活性炭对土壤汞蒸汽的吸附能力研究

廖银锋　张军方

(贵州省环境科学研究设计院， 贵阳　550081)



不同载硫量活性炭对土壤汞蒸汽的吸附能力研究

廖银锋张军方*

(贵州省环境科学研究设计院， 贵阳550081)

活性炭由于具有较大的比表面积，可用于汞污染土壤中汞蒸汽的吸附。改性载硫活性炭利用汞的亲硫性，可有效提高汞吸附效率。本研究利用5种不同载硫量活性炭吸附汞蒸汽，考察了活性炭载硫量对汞蒸汽吸附能力的影响。研究结果表明：活性炭的载硫量与吸附能力并不呈现完全对应关系，载硫量为10%的活性炭的吸附性能最好，而20%的载硫活性炭的吸附性能最差。采用300g的基础活性炭，5%、10%、15%及20%载硫活性炭的饱和吸附量分别为26.38、42.70、43.53及16.26 mg。

活性炭；汞；吸附

重金属汞是常温下唯一一种呈液态的金属元素，广泛分布在地壳表层[1],汞及其化合物污染由于具有持久性、易迁移性和高度生物富集性，这些特性使其成为全球最受关注的重金属污染物之一[2]。汞的汽化热为13.905 kcal/mol，蒸汽比重为6.9，很容易蒸发为气态，形成汞蒸汽。活性炭由于具有较大的比表面积，及一定的吸附能力，且价格便宜、易获得、可再生，被广泛应用于污水处理、烟气处理和室内空气净化等领域[3-4]，是理想的汞蒸汽吸附材料之一。由于汞具有亲硫性，在吸附过程中和硫生成HgS，达到除汞的效果，因此改性的载硫活性炭可以有效提高对汞蒸汽的吸附能力。然而不同载硫量活性炭吸附剂对汞蒸汽有不同的饱和吸附量，超出限值，活性炭将会被穿透，失去吸附能力。研究确定不同载硫量活性炭对汞蒸汽的吸附能力差异、饱和吸附量，对于汞污染的治理具有重要意义。

本研究利用载硫量分别为0%、5%、10%、15%、20%载硫活性炭(载硫量0%的活性炭又称为基础活性炭)，分别进行吸附汞蒸汽实验，研究活性炭载硫量对汞蒸汽吸附能力的影响，以及不同载硫量活性炭的饱和吸附量，为选择最佳吸附条件、优化含汞废气污染治理方案奠定基础。

1　实验设计

1.1不同载硫活性炭准备

载硫量为0%的活性炭是指对其只经前处理，而并未进行载硫过程的普通活性炭，称为基础活性炭。本研究主要使用了五种活性炭，即载硫量分别为0%、5%、10%、15%、20%的活性炭。载硫活性炭的制备方法主要参照鹿存房等[5]、邓先伦等[6]、 颜甜等[7]活性炭改性方法，先用去离子水冲洗颗粒活性炭3～5次，洗净后将其置于110℃的烘箱干燥2h，取出冷却，然后将活性炭与固体硫按一定比例混合进行加热反应，利用硫受热升华的特性，使升华硫与活性炭充分接触并吸附于活性炭表面。加热前将固体硫置于底层，活性炭平铺于表面，且将硫完全覆盖，约10 min后每5 min对混合物搅拌一次，使其混合均匀，整个加热过程持续30 min。不同载硫量的载硫活性炭见表1。

表1　不同载硫量的载硫活性炭

1.2汞污染土壤样品的采集

土壤样品按照《土壤环境监测技术规范》[8]，采自贵州省清镇市东门桥汞污染农田，距离某有机化工厂排污口约300m。土壤样品采用对角线取样法，对角线分5等分，以等分点为采样分点，在确定的采样点上，用铁锨剥去表层土壤，再用木铲斜向下约0～20cm处取土壤样品，最后将样品集中起来混和均匀装入聚乙烯袋内。样品采集后，经风干、压碎、除杂、磨碎过100目筛后备用。

1.3不同载硫量活性炭对土壤汞蒸汽吸附实验

实验采用自制简易尾气吸附装置，吸附装置如图1所示。该尾气吸附装置主体是直径10cm、长50cm的耐高温PVC塑料管，PVC管最底部设有致密的铁丝网，防止吸附剂下漏；铁丝网上部铺有一层棉花，防止土样灰尘随着气流进入吸附装置；棉花层上面是高约4cm颗粒状的氧化钙(CaO)，主要用于吸收尾气中的水汽；CaO的上层是质量为300g、高约15cm的载硫量分别为0%、5%、10%、15%、20%不同载硫活性炭吸附剂；PVC管的顶端留有直径1.5cm的小口连接大气测汞仪，管的最上层用棉花覆盖，防止灰尘进入大气测汞仪。

实验将4kg土壤样品进行低温热解形成汞蒸汽气体流，用分别填装5种不同载硫量活性炭对汞蒸汽进行吸附，实验过程中每隔20 min分别对5种活性炭进行取样检测，同时在出气口端测定尾气汞浓度，研究160 min内不同载硫量活性炭对汞蒸汽的吸附突破曲线，以及不同载硫量活性炭汞的吸附饱和量。

图1　不同载硫活性炭吸附装置填料示意图

2　实验结果及原因分析

本研究实验结果如图2～6所示。图中以不同载硫量活性炭对汞蒸汽的吸附量为横坐标、以吸附实验排放的尾气汞浓度为纵坐标，绘制成不同载硫量活性炭对汞蒸汽的吸附量、尾气汞浓度关系变化数据图。从图2吸附突破曲线可以看出，用0%载硫量活性炭(基础活性炭)吸附土壤汞蒸汽，当土壤样品的处理量一定时，随着处理时间的增加，基础活性炭的吸附汞蒸汽≤26.38 mg时，汞排放浓度变化较为平稳，为0.007 25 mg/m3，低于排放标准中所规定的汞的最大允许排放量0.015 mg/m3；而当吸附量>26.38mg时，尾气汞排放浓度呈直线上升，并且超出最大允许排放浓度限值0.015 mg/m3，说明此时的活性炭已经被穿透，不能再继续使用。由此可见300 g基础活性炭的最大吸附量为26.38 mg。同时，从图3、5、6中可以进一步看出：300g 5%载硫活性炭的饱和吸附量为42.70 mg，尾气汞浓度为0.007 mg/m3；而300g 15%载硫活性炭的饱和吸附量为43.53 mg，尾气汞浓度为0.008 3 mg/m3；300 g 20%载硫活性炭的饱和吸附量为16.26 mg，尾气汞浓度为0.008 mg/m3。

图2　0%载硫量活性炭对汞蒸汽吸附突破曲线

图3　5%载硫量活性炭对汞蒸汽吸附突破曲线

图4中结果显示,10%载硫活性炭的吸附汞蒸汽量的变化较为特殊，到实验结束,其吸附量为76.74mg，但是尾气汞浓度仍低于0.015 mg/ m3的限值，但此时吸附柱仍未被穿透，这表明该吸附柱仍具有一定吸附能力，为保证实验条件的统一性，在该研究中未进一步延长吸附时间。因此，从图4中结果可得出，300g 10%载硫活性炭的饱和吸附量应大于76.74mg。此外，从图2～6还可进一步得出，各种不同载硫量的改性活性炭的汞饱和吸附量的关系为：10%载硫活性炭>15%载硫活性炭>5%载硫活性炭>基础活性炭>20%载硫活性炭。

图4　10%载硫量活性炭对汞蒸汽吸附突破曲线

图5　15%载硫量活性炭对汞蒸汽吸附突破曲线

图6　20%载硫量活性炭对汞蒸汽吸附突破曲线

基于上述实验结果，可以发现适度载硫量(<20%)可以提高活性炭对汞的吸附能力，但载硫量过高(>20%)反而会大大降低活性炭对汞的吸附能力。这主要是因为低载硫量活性炭利用了汞的亲硫反应性、活性炭的吸附性，提升了吸附能力；而高载硫量活性炭由于硫堵塞了活性炭表面具有吸附功效的孔隙，减小了活性炭的比表面积，反而降低了它的吸附能力。

3　结论

该研究结论如下：

(1)载硫活性炭吸附汞蒸汽量与载硫量并非严格正相关。

(2)载硫量为10%的改性活性炭汞吸附性能最佳，在该研究条件下，300g 10%载硫活性炭的饱和吸附量>76.74mg，尾气排放中汞的含量一直低于标准限值。

(3)20%的载硫活性炭的吸附性能最差，这说明并非载硫量越高，汞吸附性能越好。

(4)不同载硫量的改性活性炭的汞饱和吸附量大小顺序关系为：10%载硫活性炭>15%载硫活性炭>5%载硫活性炭>基础活性炭>20%载硫活性炭。

[1]李成剑.汞污染危害分析与防范措施探讨[J].长江大学学报(自然科学版)，2010,7(2)：151-152.

[2]方凤满,王起超.土壤汞污染研究进展[J].土壤与环境，2000,9(4)：326-329.

[3]Lee S H ,Rhim Y J,Cho S P,et al.Carbon-based novel sorbent for removing gas-phase mercury[J]. Fuel,2006,85(2):219-226.

[4]Yang Hongquan, Xu Zhenghe, Fan Maohong, et al.Adsorbent for capturing mercury in coal-fired boiler flue gas[J]. Jonrnal of Hazardous Materials,2007,146(1-2):1-11.

[5]鹿存房，刘清才，高威，等.载硫活性炭微观结构和表面形态研究[J].环境工程学报，2009，3(8)：1521-1523.

[6]邓先伦,蒋剑春. 除汞载硫活性炭研发[J].林产化工通讯，2004，38(3)：13-16.

[7]颜甜，左宋林.高温载硫活性炭的制备及脱汞能力研究[J].环境污染与防治，2012，34(4)：1-4.

[8]国家环保总局. HJ/T166-2004 土壤环境监测技术规范[S]. 北京：中国环境科学出版社，2004.

A Study on capacities of activated carbon with different sulfur contents for adsorbing Mercury-Vapor in soil

Liao Yinfeng, Zhang Junfang

(Guizhou Institute of Environmental Science and Designing, Guiyang 550081)

Activated carbon has a large specific surface area, which can be used to adsorb Mercury-Vapor in mercury contaminated soils. Modified activated carbon loaded by sulfur can effectively improve the adsorption capacity of mercury. In this study, 5 groups of activated carbon loaded with different amount of sulfur were employed for studying their adsorption capacity of mercury vapor. The results of the study show that the sulfur contents in activated carbon is not completely co-related with the adsorption capacity, best performance in terms of adsorption capacity was witnessed as sulfur content in activated carbon is about at 10%, while worst performance was obtained as sulfur content increased to about 20%. The saturated adsorption capacities for 5%, 10%, 15%and 20% sulfur-loaded activated carbon (300g base activated carbon) were 26.38mg, 42.70 mg, 43.53mg and 16.26mg respectively.

activated Carbon; mercury; adsorption

2016-04-28; 2016-07-03 修回

廖银锋，男，1980年生，硕士，研究方向：环境污染防治。E-mail：liaoyf2007@126.com

张军方，男，1979年生，博士，研究员，研究方向：重金属污染控制。

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