摘要
本研究以废纸脱墨污泥(DPS)为原料,采用热水和盐酸酸洗两次脱灰、KOH活化、球磨辅助,制备了具有薄层结构且富含介孔的脱墨污泥基活性炭(DPS-AC)。结果表明,DPS-AC制备的最佳工艺条件为:热水预处理和酸洗处理两次脱灰,KOH溶液浓度6.5 mol/L,固液比1∶2,炭化温度750℃,炭化时间90 min,250 r/min间歇式球磨180 min。在此条件下制备的DPS-AC碘吸附量达657.50 mg/g,亚甲基蓝吸附量达230.69 mg/g,比表面积达595.138
废纸浆是我国造纸原料中的重要组成。2020年,全国纸浆总消耗量10200万t,废纸浆消耗量4763万t,占纸浆总消耗量的46.70%。以废纸为原料生产某些纸种过程中需要进行脱墨,在其浮选脱墨阶段会产生大量脱墨污泥(DPS)。据统计,每生产1 t脱墨废纸浆会产生80~150 kg的干脱墨污泥或160~500 kg的湿脱墨污
活性炭作为一种多孔材料,是工业上常用的重要吸附剂之
本研究对DPS的化学组成、热解特性等理化性能进行了全面分析。并针对DPS灰分含量较高的问题,采用前后球磨机械辅助-2次脱灰-KOH活化制备脱墨污泥基活性炭(DPS-AC),探究了KOH浓度、固液比、炭化温度、时间对活性炭孔结构和吸附性能的影响,以期为DPS-AC的制备和DPS的资源化利用提供理论和技术支持。
将自然风干的DPS放置在80℃去离子水中处理1 h,以洗去部分水溶性灰分物质,得到水洗脱墨污泥(pDPS);将pDPS过筛,在105℃鼓风干燥箱中干燥12 h,将干燥后pDPS粉碎成直径为2~6 mm的颗粒;取20 g绝干pDPS和不同浓度的KOH溶液(浓度分别为2.5、3.5、4.5、5.5和6.5 mol/L)按一定的固液比(2∶1、1∶1、1∶2、1∶3和1∶4,质量比)混合,室温浸渍24 h,于105℃鼓风干燥箱中干燥6 h;将烘干后的物料取出冷却,用FW-100型高速万能粉碎机粉碎;将粉碎好的物料放于管式炉中隔绝空气,按10℃/min速率升温至设定温度(550、650、750、850 和950℃)后恒温炭化一定时间(0、30、60、90 和120 min);将活化、炭化后产物先用10%的盐酸洗涤3次,再用80℃去离子水反复洗涤至水溶液呈中性;将洗涤干净的物料,于105℃鼓风干燥箱中干燥6 h;将干燥后的样品置于球磨机中,在250 r/min下,每研磨5 min停歇5 min为1个循环,循环研磨18次,得到DPS-AC。制备工艺流程如

图1 DPS-AC制备流程示意图
Fig. 1 Preparation process of DPS-AC
灰分、有机物、固定碳和挥发分分析:按照GB/T 28731—2012《固体生物质燃料工业分析方法》测定。
非金属元素测定:采用元素分析仪(Elementar Unicub)测定DPS和热水处理后脱墨污泥(pDPS)中C、H、O、N、S元素含量。C、H、N、S测定条件:燃烧管温度1150℃,还原管温度850℃;O测定条件:燃烧管温度1140℃,还原管温度850℃。
金属元素测定:采用微波消解-电感耦合等离子质谱法(赛默飞 ICP RQ)测定DPS和pDPS中的金属元素。消解环节采用硝酸、氢氟酸、过氧化氢混合酸体系,以增强氧化能力,消除氧化物(Si、Ca等元素)对过渡金属元素的干
热重分析(TG):使用TGA热量分析仪(TGA-Q50)准确测量DPS和pDPS热解过程的质量变化及变化速率,并绘制TG、DTG曲线图。测定条件:样品添加量10 mg,N2为保护气,流量40 mL/min,升温速率10℃/min,热解初始温度25℃,终止温度850℃。
微观结构表征:采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM,日立Regulus 8220)、透射电子显微镜(TEM,JEM 2100)在一定倍数下观察DPS-AC表面形貌特征、孔道结构等。
N2吸附脱附等温线测定:采用全自动比表面与孔隙度分析仪(美国麦克公司ASAP 2460)测定N2吸附脱附等温线,计算分析DPS-AC的BET比表面积、总孔容及平均孔径等。测定条件:脱气温度200℃,脱气时间6 h,吸附气体N2(-196℃)。
碘吸附量的测定:按照GB/T 12496.8—2015《木质活性炭实验方法-碘吸附值的测定》测定。
亚甲基蓝吸附量的测定:取50 mL亚甲基蓝溶液(500 mg/L)置于150 mL具塞锥形瓶中,加入0.1 g DPS-AC,于25℃、250 r/min条件下恒温震荡1 h。然后取出样品过滤,将滤液稀释一定倍数后,使用紫外可见分光光度计在665 nm处测定溶液吸光度,亚甲基蓝的平衡吸附量按
(1) |
式中,q表示活性炭对亚甲基蓝溶液的单位吸附量,mg/L;C0表示亚甲基蓝溶液初始浓度,mg/L;Ce表示吸附后溶液浓度,mg/L;M表示加入的活性炭质量,g;V表示亚甲基蓝溶液体积,L。
对DPS、pDPS进行组分分析和元素分析,结果见
注 表中数据为质量分数。

图2 不同处理条件下的DPS和pDPS图
Fig. 2 Images of DPS and pDPS with different trentment condition
DPS和pDPS金属元素含量测定结果见

图3 DPS热重分析
Fig. 3 TG/DTG curves of DPS

图4 pDPS热重分析
Fig. 4 TG/DTG curves of pDPS
由上述实验可知,DPS中含有一定量木质素、纤维素等有机高分子物质,含碳量较高、热稳定性好,且含有Mg、Al、Ca、K、Zn等金属元素,这些金属化合物可在制备活性炭过程中作为催化剂或作为硬模板有利于孔洞结构的形

图5 KOH浓度对DPS-AC吸附性能的影响
Fig. 5 Effect of KOH concentration on the adsorption capacity of DPS-AC

图6 固液比对DPS-AC吸附性能的影响
Fig. 6 Effect of liquid-solid ratio on the adsorption capacity of DPS-AC

图7 炭化温度对DPS-AC吸附性能的影响
Fig. 7 Effect of activation temperature on the adsorption capacity of DPS-AC

图8 不同形态的DPS-AC图
Fig. 8 Images of DPS-AC in different forms

图9 炭化时间对DPS-AC吸附性能的影响
Fig. 9 Effect of activation time on the adsorption property of DPS-AC
以碘和亚甲基蓝吸附量为主要依据,结合以上单因素实验确定DPS-AC最优制备条件为:热水预处理和酸洗处理2次脱灰,KOH浓度6.5 mol/L、固液比1∶2、炭化温度750℃、炭化时间90 min,250 r/min间歇式球磨180 min。
活性炭孔结构各项参数,如比表面积和总孔容,可以更加客观地反映其孔结构特性。为进一步研究脱灰程度对DPS-AC孔结构的影响,实验对经1次脱灰和2次脱灰的DPS-AC(除脱灰外,其他制备条件按照上述最优条件)孔的各项参数和N2吸附-脱附性能进行了比较,结果如


图10 不同脱灰次数的DPS-AC N2吸附-脱附曲线
Fig. 10 N2 adsorption-desorption curves of DPS-AC with different deashing times


图11 不同脱灰次数的DPS-AC孔径分布曲线
Fig. 11 Pore size distribution curves of DPS-AC with different deashing times
观察图
通过对

图12 不同放大倍数DPS的FE-SEM图
Fig. 12 FE-SEM images of DPS with different magnifications

图13 不同放大倍数DPS-AC的FE-SEM图
Fig. 13 FE-SEM images of DPS-AC with different magnifications

图14 不同放大倍数DPS-AC的TEM图
Fig. 14 TEM images of DPS-AC with different magnifications
本研究对废纸脱墨污泥(DPS)主要理化性能进行了全面分析,采用热水和盐酸酸洗2次脱灰、KOH活化、球磨机研磨辅助制备了具有薄层结构的富含介孔的脱墨污泥基活性炭(DPS-AC)。
3.1 DPS-AC制备的最佳工艺条件为:热水预处理和酸洗处理2次脱灰,KOH浓度6.5 mol/L、固液比1∶2、炭化温度750℃、炭化时间90 min,250 r/min间歇式球磨180 min。
3.2 在最佳条件下制备的DPS-AC碘吸附量高达657.50 mg/g,亚甲基蓝吸附量达230.69 mg/g,BET比表面积达595.138
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