煤基制备活性炭及其吸附性能研究

张 琼

(大同煤业金鼎活性炭有限公司，山西 大同 037000)

引 言

吸附过程广泛应用于工业和生活中很多领域，其中，吸附剂的选择在吸附过程中起主导作用。高比表面积活性炭(HSSAAC)由于其发达的孔隙形态被广泛地用作吸附剂。目前，被用作活性炭前体的主要为煤炭，以煤为原料生产高比表面积活性炭，具有发达的微孔结构和超强的吸附性能，在材料领域有较好的应用前景。活性炭的制备方法通常情况下有两种，即气体活化法和化学活化法，其中，化学活化法常见的化学活化剂有并且以NaOH为活化剂制得的活性炭的吸附性能较优异。高比表面积活性炭(HSSAAC)作为一种优异的吸附剂，由于其比表面积大，化学性能稳定，吸附性能好，易得，低成本等优良性能，已被广泛应用于废水处理。含酚废物是有机废水的重要代表物质，对生态系统构成很大的威胁，本文阐述了以太原无烟煤来制备高比表面积活性炭，研究了活性炭的孔形态和比表面积，检测了所合成的高比表面积活性炭(HSSAAC)对苯酚吸附性能，为拓宽煤炭在深加工领域的应用提供理论基础[1-3]。

1 实验部分

1.1 原料煤的分析

选用太原无烟煤为原料制备活性炭。首先，对原料煤进行预处理，将原煤研磨成小颗粒，使用50目(0.3 mm)筛子筛选出颗粒尺寸50目以下的原煤粉末[4]。其次，进行元素分析测试，结果如表1。

表1 太原无烟煤的元素分析 %

1.2 高比表面积活性炭的制备和苯酚吸附测试

合成部分分为2个步骤：研磨的小颗粒煤粉在一个封闭环境及热解温度500 ℃下制备碳化产品，碳化产品和氢氧化钠(NaOH)以1∶1的质量比物理混合并研磨0.5 h。将混合物装入封闭的坩埚中于37 ℃化学活化，在空气条件下分别在500 ℃、600 ℃和700 ℃下等温加热2 h后冷却到室温。随后，所得样品用HCl洗涤，再用蒸馏水彻底洗涤至最终滤液的pH约为7.0，将样品过滤、干燥并依次粉碎即得活性炭样品。

吸附实验通过将1.50 g所合成的活性炭材料浸入1 000 mL含酚溶液来测定，苯酚的初始质量浓度为1 500 mg·L-1，以200 r·min-1的转速装入恒温摇床中，温度为303 K，为了分析吸附过程中的苯酚浓度变化，不同时间离心出固体后，取用液体测试紫外光谱，通过光谱强度测试平衡浓度和瞬时浓度。分析波长设定为270 nm。每个苯酚浓度的测定分别进行3次平行实验，该算术平均值指定为最终的苯酚浓度。苯酚在活性炭上的吸附量Qt(mg·g-1)，使用方程(1)来计算：

Qt=V×(C0-Ct)/m

(1)

其中：V(L)为含苯酚溶液体积，mL；C0为初始值，mg/L；苯酚浓度Ct为瞬时苯酚浓度，mg/L；对应时间为t,h；m是所测样品的质量，g。为了提高实验吸附数据的准确性，进行空白实验作为对比，对每批苯酚吸附实验使用蒸馏水进行液体紫外，所有测得的苯酚吸附数据已经被扣除背景。

1.3 活性炭孔径分布测试实验仪器方法说明

本研究采用N2吸附/脱附仪对样品的吸附性能进行了表征，分别测得了不同温度下制备的样品的孔径分布、比表面积和孔体积。使用美国Quantachrome公司提供的NOVA 4200e气体吸附分析仪进行吸附/解吸测试，测试温度为77.4 K，相对压力(P/P0)在0.05～0.30，在分析之前，所有的样品都在100 ℃真空条件下12 h作完全脱气处理。样品的比表面积计算使用BET模型根据相应的氮吸附数据算出。

2 结果与讨论

2.1 孔结构表征

原始氮吸附/解吸曲线如图1所示，孔结构参数在表2中列出。如图1所示，所有样品的吸附等温线都遵循I型等温线的趋势，说明样品具有多种孔结构，存在大量微孔。表2中具体数据参数表明，样品的孔隙面积和孔体积随着活化温度升高而增加。这是由于，在较低的活化温度下，有机物释放出来碳原子与部分NaOH反应产生出一些微孔，在较高的活化温度下，碳原子更多地被消耗和释放，增强了活化强度，造出相对大一些的孔。

图1 在77 K温度下，500 ℃、600 ℃和700 ℃条件活化样品的氮吸附/解吸等温线

样品SBET/m2·g-1Smic/m2·g-1Smes/m2·g-1Vmic/cm3·g-1Vmes/cm3·g-1Dpnm500℃430.51249.98177.860.1530.0911.128600℃570.22272.58298.440.1740.1531.150700℃820.49289.98527.630.2270.2311.151

2.2 活化温度和苯酚溶液最初浓度对实验的影响

我们认为500 ℃、600 ℃和700 ℃条件下活化样品对苯酚吸附性能不同，随着活化温度的升高，活性炭的孔隙形态和比表面积增加。通过实验证明实验结果与推测结果相似，700 ℃活化样品表现出最好的苯酚吸附性能，吸附值为298 mg/g。随后，我们选取700 ℃活化样探究了苯酚溶液最初浓度对对苯酚吸附速率的影响，结果如表3所示。初始吸附率随初始苯酚浓度升高而增大，这与苯酚传质驱动力增强有关，苯酚本身浓度越高，吸附动力学驱动力会越大，从而增大最初的吸附速率。

表3 700 ℃条件活化样品的苯酚吸附速率

3 结论

本文介绍了两步热解法太原无烟煤制备高比表面积活性炭，探究了500 ℃、600 ℃和700 ℃ 3个不同活化温度产生活性炭的孔径分布，结果表明，最佳活化温度为700 ℃，样品具体的比表面积为820.49 m2·g-1，苯酚吸附测试证实该样品具有优异的苯酚吸附性能，最大苯酚吸附容量可达298 mg·g-1。结果证明了两步热解法太原无烟煤制备高比表面积活性炭具有较短的活化时间和较低的制造成本，有很好的应用潜力。

参考文献：

[1] 陈雯，刘中华，范艳青，等.褐煤活性炭的制备与性能研究[J].煤炭转化，2004，27(2):61-64.

[2] 解强.炭化过程控制及煤基活性炭制备的研究[D].徐州:中国矿业大学,1996:37-46.

[3] 李怀珠,田熙良,程清俊,等.煤质活性炭的原料、预处理及成型技术综述[J].煤化工,2007,35(5):39-42.

[4] Almansa C，Molina-Sabio M，Rodriguez-Reinoso F. Adsorption of methane into ZnCl2-activated carbon derived discs[J]. Microporous and Mesoporous Materials，2004，76 (1-3):185-191.