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根据工业循环经济理念,利用石油工业副产物高硫石油焦制备高性能多孔炭材料并应用此材料解决石油工业过程水多环芳烃污染问题。由石油焦制备高性能多孔炭的具体活化机理还需要进一步认识,活化工艺需要进一步优化,活化剂回收等工程和环境问题需要解决。石油焦活化过程中硫物种以及碱金属元素的转化和分布对于工艺开发及工程放大具有重要的指导意义。 基于上述目的,以高硫石油焦为原料,提出了提高其附加值的有效方法,通过强碱化学活化、气相物理活化以及这两者的组合方法制备高性能多孔炭。对得到的多孔炭的孔和表面性能进行表征测试并进行处理控制,并将此类材料用于脱除油砂开采过程水中多环芳烃污染物。 以高硫石油焦为原料,KOH为活化剂在实验室自制活化炉内成功制备了多孔炭材料。研究了活化剂用量、活化温度、活化时间、原料颗粒尺寸等工艺条件对产品性能的影响。实验结果表明低活化温度、低碱炭比、短活化时间有助于提高产品收率。通过对不同活化条件下产物收率分析证实了KOH对石油焦颗粒的烧蚀影响,高温、长时间以及高活化剂比例都会加大对焦颗粒的烧蚀而降低产品收率,另一方面,适度的烧蚀又是造孔所必须的环节,因而需要有效控制活化过程焦颗粒的烧蚀程度。 实验得出优化的活化条件为:KOH:石油焦的质量比2:1,活化温度800℃,活化时间2小时,原料颗粒尺寸150-212μm,所得产物的比表面积达到1570m2/g,产物收率为68wt%。两步法活化新工艺情况下:KOH:石油焦质量比为0.5,所制得多孔炭比表面积达到460m2/g以上。 活化后钾元素物料平衡表明大多数的钾以K2CO3形式存在于产物中。活化温度600℃以上,KOH反应接近完全,有单质钾以气相随尾气排出。活化温度在600-900℃,发生的反应主要为6KOH+4C=K2CO3+4K+3H2+3CO,活化温度900℃以上时,发生的主要反应为KOH+C=CO+K+0.5H2,此时更有利于活化剂的分离回收。 所得产品的总硫含量仅为0.2wt%-0.4wt%,超过95wt%的有机硫转化成水溶性的无机硫而被脱除掉。所残余的无机硫主要以K2SO4及少量K2SO3形式存在,气相中以SO2排出。 使用实验室静态吸附实验,详细考察了多环芳烃吸附的热力学、动力学以及初始浓度、多孔炭的表面和孔性质、溶液条件等因素对吸附效果的影响。计算得出多孔炭的饱和吸附量,还比较了不同制备条件所得活性炭的吸附性能差异,进而指导优化活性炭的制各工艺。 所制得的多孔炭对水中多环芳烃污染物有较好的吸附效果,在开始的30分钟内,有效脱除90%以上的多环芳烃。吸附过程呈两个阶段,第一个阶段吸附速度非常快,半个小时到一个小时内残余浓度迅速降低,第二阶段吸附速度明显放缓,需要几个小时才能达到最终吸附平衡。 使用传统热力学和动力学模型对吸附过程进行描述,解释了模型参数的物理意义,进而探讨多环芳烃的吸附机理。所选用的热力学方程中,Freulldlich方程能够较好的解释吸附平衡,所选用的动力学方程中,拟二阶动力学方程能够较好的描述吸附动力学。根据扩散动力性模型计算出了有效扩散系数,建立了瞬时吸附量与饱和吸附量的关联模型,能够对实验结果进行有效预测。 实验采用HNO3和H2O2稀溶液对制备的多孔炭材料进行温和表面处理,有利于增加炭表面的酸性含氧官能团,能够增强多环芳烃分子与炭表面分子间的相互作用。