煤气化粗渣制备吸附材料及处理水中重金属、氨氮的应用研究

作     者：焦乃斌 

作者单位：宁夏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李媛媛;吉文欣

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：煤气化粗渣 物理活化 重金属 负载 锰氧化物 

摘      要：煤炭工业的发展是国家在调整能源结构方面的一项重要措施,而煤炭工业的快速发展和煤炭气化技术的飞速进步,也给人们造成了很大的麻烦。然而,煤气化残渣(粗、细渣)作为一种重要的生物质资源,已成为当前煤与环境领域的研究热点。煤气化渣物理化学特性与粉煤灰等常规固体废弃物存在较大差异,现有的粉煤灰处理工艺难以实现其高效处理,亟需对其进行系统深入的理论与实践探索。因此,针对我国煤炭工业中存在的问题,提出了以煤炭工业粗渣为原料,进行固体废物的高值化利用与环保治理的理论与技术创新,这对我国煤炭工业中的优势与特色优势行业及黄河流域的经济与社会发展都有着十分重大的现实意义。本研究以宁东煤气化粗渣为原料,在不需要高温和化学试剂的条件下,通过预处理和特定的物理活化将其制备煤气化粗渣吸附剂。同时在物理活化的基础上以其为载体,并负载锰氧化物来制备锰氧化物/煤气化粗渣吸附剂,负载锰氧化物可提高吸附剂的孔隙率和相应的处理氨氮效率。锰氧化物/煤气化粗吸附剂的制备方法简单,且制备过程中无污染物质产生,同时对氨氮的吸附率高,可重复使用,具有广泛的应用前景。本文主要研究结果如下:(1)在无任何化学试剂添加和无任何其他原料添加的情况下,通过预处理球磨活化煤气化粗渣将其进行逐层刻蚀释放出大量的活性基团然后将煤气化粗渣在105℃条件下进行干燥。然后将其放入行星式球磨机球磨通过球与颗粒之间进行碰撞刻蚀9h,在球磨过程中产生大量的热,使其表面形成新的基团提供,并且在刻蚀的过程中使得内部的基团也逐渐的外露出来。通过红外分析可以得出活化后其表面增加了大量基团,如-COOH、C=O和-OH等。(2)通过采用水平震荡法对含有重金属的模拟废水进行吸附试验。通过吸附反应前后红外分析可得,金属离子与表面官能团形成Cu-O的类似结构,通过map图和红外分析可证明金属离子成功吸附在吸附剂表面。并且通过map图发现针对不同金属离子在吸附剂表面结合的活性位点不同。通过一级动力学和二级动力学可以得出在吸附铜离子和铅离子是物理吸附与化学吸附共同作用,而废水中的铬离子和镉离子是主要以化学吸附为主。通过拟合的吸附等温线Langmuir和Freundlich的分析发现,该吸附剂的吸附方式为多层吸附。其对铅离子、铜离子、镉离子和铬离子的饱和吸附量分别为192.56 mg/g、110.15 mg/g、102.36 mg/g和49.5 mg/g。(3)在特定的物理活化的基础上通过负载锰氧化物来增强该吸附剂的吸附性能,选用氧化还原法制备负载锰氧化物的煤气化粗渣吸附剂,由于其比表面积大、氧化还原电位高、表面带负电荷,对阳离子污染物具有很高的静电吸附能力。通过对模拟氨氮废水的吸附影响因素进行研究,在投加5g、反应温度在25℃,反应时间90min的条件下对氨氮的去除率为72.7%,饱和吸附量为27.26mg/g。比未负载锰氧化物的煤气化粗渣(经过特定物理活化)的吸附量提上了 2.9倍。另外经过连续5次循环实验其去除率仍在75.3%,表明该吸附剂可重复使用。