褐煤热提质及褐煤基活性炭吸附特性研究

来源 :中国矿业大学(北京 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangwangge
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煤炭是我国的主体能源和重要的工业原料,其中褐煤作为高产量的优质化工原料,但水分含量高、贫氢富氧等诸多问题,利用受限。如何快速有效脱除褐煤水分,同时提高褐煤热解轻质产物产率,对推动褐煤的清洁高效利用至关重要。本文研究了N2和不同溶剂对提质褐煤的影响,针对重质焦油产率较高,分析了氧载体组成对热解产物分布规律的影响;为有效就地消化褐煤热解半焦,以提质褐煤为原料制备磁性活性炭,系统研究了不同类型活性炭对氰化物废水吸附特性的影响;同时对提质褐煤中重金属脱除规律进行了深入探究。主要研究内容及结论如下:(1)采用固定床反应器研究了N2气氛下不同升温速率和样品质量对褐煤结构的影响。结果表明:N2气氛下随温度的升高,褐煤脱水过程均包括加速干燥、减速干燥、趋于平衡3个阶段;随着褐煤脱水时间延长,表面的碳碳骨架(C-C)以及羧基、羟基、羰基等含氧基团和亚甲基、甲氧基等发生分解,导致其相对含量逐渐降低;干燥过程中褐煤中羟基和羧基等强吸水性的活性含氧官能团在脱水过程中发生分解,促使其向稳定醚基转变。(2)采用高压反应釜研究了水、四氢化萘和二者混合溶液对褐煤结构的影响。结果表明:四氢化萘处理的煤样的H/C比明显最低,水处理次之,混合溶液最大;随着处理温度升高,煤样中的C-O结构以及羧基、芳香烃结构中的脂肪侧链、醚键发生断裂分解,O/C比值逐渐降低;处理温度达到300℃时,四氢化萘、水和二者混合溶液处理煤样的脂肪碳相对强度分别降低了17%、14%和11%。(3)采用逐级浸出法研究了提质褐煤的重金属释放规律。结果表明:Hg、As、Cd和Pb四种重金属存在形式以重金属硫化物为主,其次是碳酸盐类化合物,与硅键合的重金属含量最少;水热处理和四氢化萘处理的煤样中,均含有Hg、As、Cd以及Pb四种重金属,Pb含量都是逐渐降低,但含量差距较小;与水热处理煤样相比,采用四氢化萘处理的煤样中As脱除的更加彻底;煤样中以非矿物质状态赋存在于有机质的硫化物类以及与硅键合的Hg更多地溶解到四氢化萘中。(4)采用固定床反应器研究了氧载体组成对褐煤与污泥混合物热解产物分布规律的影响。结果表明:随着氧载体中铜精矿和镍精矿比例增大,反应过程中放热能力增强,使铜矿和镍矿两精矿发生化学反应,热解过程释放出气体产物增多;氧载体的还原反应过程中发生物相转变,使氧载体中的晶格氧活化为氧空位,促进热解反应进行;与Cu和Ni相比,Fe的化学反应活性更高;氧载体中存在的氧化铜、氧化镍矿与赤铁矿(Fe2O3)在热转化过程中存在协同作用,氧载体失重率呈现非线性增大趋势。(5)利用气相色谱(GC)分析仪,研究了氧载体组成对热解气体产物组成的影响。结果表明:赤铁矿中Fe2O3成分对于H2的生成具有促进作用;氧气或水蒸气的存在提高了热解气体产物产率,降低了焦油和热解半焦的产率;采用三金属复合氧载体条件下的轻油分数明显高于其他两种条件下的轻油分数,达到63.09%。(6)以提质褐煤为原料制备磁性活性炭,研究了不同类型活性炭对氰化物废水吸附特性的影响。结果表明:浸渍的Fe氧化物主要分布在活性炭表面或沉积在内部孔隙结构中;与普通褐煤基活性炭相比,磁性活性炭的总孔体积和微孔体积分别减少了11.93%和15.88%,但仍然保留了较高的比表面积以及微孔体积;磁性活性炭中含有Fe3+,在pH小于7的条件下,与溶液中的氰化物发生静电吸附和离子交换反应,使溶液中的CN-被吸附。(7)以不同类型活性炭作为吸附剂,研究了pH值在7~8以及10~11范围内对氰化物脱除率的影响。结果表明:pH值小于7时由于褐煤基磁性活性炭表面存在吸附活性位点(Fe-OH)负电荷密度升高,磁性活性炭对于溶液中氰化物的脱除率高于其他两种活性炭;氰化物在磁性活性炭上的吸附机理依赖于活性炭表面配衡离子与定位离子之间的静电作用力平衡关系,即扩散层与磁性活性炭表面之间的距离决定了磁性活性炭对溶液中CN-离子的脱除效率。(8)活性炭对氰化物的吸附机理符合Langmuir吸附模型,即活性炭表面存在吸附活性点位可以对溶液中氰化物离子进行均质单分子层吸附,被吸附的分子之间无作用力,与其周围是否有被吸附的分子存在无关;吸附过程符合准二级动力学模型,即吸附速率由吸附剂表面未被占有的吸附空位数目的平方值决定,吸附过程受化学吸附机理控制,存在多重吸附机理的复合效应。
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