煤基超细复合吸附剂的制备及吸附特性研究

【摘要】： 煤分子中含有多种含氧官能团，内部具有丰富的孔隙结构，既是一种天然吸附剂也是制造吸附剂的优质原料。煤在粉碎超细化的过程中，随着粒度的减小，煤粉的比表面积增大、表面活性增加、孔体积增大，吸附性能增加。超细煤粉成型过程中，煤粉颗粒之间的紧密堆积会构成新的孔隙，进一步提高吸附性能。以煤为原料制备煤基超细复合吸附剂，对探索煤炭利用的新途径，开发研制高性能煤基吸附剂有着重要的意义。本文以神府煤为原料，首次研究了煤粉特别是超细煤粉粒度与吸附性能关系和吸附机理，在此基础上分别采用机械力化学法和液相化学氧化法首次制备了煤基超细复合吸附剂，并对其对水溶液中苯酚、苯胺、硝基苯和Ni~(2+)的吸附性能和机理进行了研究，与市售煤基活性炭(CAC)进行比较。 不同粒度煤粉吸附苯酚的动力学研究表明，吸附符合二级吸附动力学模型。煤粉吸附苯酚的过程由膜扩散和孔隙内扩散联合控制。求出了颗粒内有效扩散系数和颗粒内扩散速率常数。试验范围内，煤粉的粒径(d)与苯酚吸附量(q)之间符合q=28.1378×exp|d／(-5.7328)|+24.1453。不同粒径煤粉对苯酚的吸附符合Freundlich或Langmuir吸附等温式。随着温度的增加，超细煤粉对苯酚的吸附量下降。吸附热力学参数△H为．11.18kJ·mol~(-1)、AS为．23.39J·mol~(-1)·K~(-1)、AG在不同温度时均为负值。 煤粉与KMnO_4共球磨可以增加煤粉对苯酚的吸附量。红外光谱表明，球磨过程中发生了机械力化学反应，主要产物为腐植酸盐。在质量比KMnO_4：煤=10∶100条件下，球磨6h后经过碱洗、酸洗、水洗干燥后在微波功率为540W的条件下处理15min得到煤基超细复合吸附剂MMCA。断面扫描电镜研究表明，MMCA由许多细小颗粒粘结在一起构成，内部具有丰富的孔隙。小颗粒粒径200nm左右，大颗粒粒径在500nm左右。 经过H_2O_2适度氧化，超细煤粉的苯酚吸附量增加。在浓度为2M、反应温度20℃、H_2O_2／煤=0.23(质量比)的条件下反应，混合液抽滤后分别经过碱洗、酸洗、 水洗抽滤至中性、干燥得到煤基吸附剂HCA。HCA用丙酮浸渍处理，制得煤基超 细复合吸附剂AHCA.断面扫描电镜表明，AHCA由许多细小颗粒粘结在一起构成。 其中小颗粒粒径约ZOOIun，大颗粒粒径约SOOnm。 煤基吸附剂MMCA、HCA、AHCA和CAC对水溶液中苯酚、苯胺、硝基苯和 Ni2+的吸附符合二级动力学模型。除了MMCA对硝基苯的吸附过程为颗粒内扩散控 制过程外，其余均为颗粒内扩散和膜扩散联合控制过程。求出了颗粒内有效扩散系 数和颗粒内扩散速率常数。四种吸附剂对水溶液中苯酚、苯胺和硝基苯的吸附量大 小次序为cAcAHcAHcAMMcA，而对Ni2+的吸附量大小次序为MMcA AHcA)cAcHcA。相同平衡浓度下MMcA对Ni2+的吸附量约为cAc的两倍。四 种煤基吸附剂对苯酚、苯胺、硝基苯和Ni2+的吸附符合Langmni:或Freundlich吸附 等温式。MMCA和AHCA对苯酚的吸附t随着温度的升高而下降。MMCA和AHCA 吸附苯酚的热力学参数八付分别为一9.15和·n .79kJ·mol一，绍为一19.37和一23.01 J.mol’’·K一’，△G均为负值.煤基超细复合吸附剂MMcA吸附苯酚、苯胺和硝基苯的 红外光谱研究表明，吸附主要以形成分子间氢键的形式结合，提出了吸附反应方程 式。 本文以传质理论为基础，建立了球形颗粒吸附剂的一级吸附动力学模型。四种 煤基吸附剂吸附苯酚、苯胺、硝基苯和N护十的动力学数据对该模型的拟合结果较好。 根据四种煤基吸附剂吸附四种污染物的动力学数据，建立了吸附量预测的BP神经 网络预测模型，达到非常高的拟合精度和较好的预测效果。