煤气化细渣制备多孔炭硅复合材料及其重金属吸附特性

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煤气化技术作为一种清洁煤工艺,能够有效提高煤炭利用效率,减少大气污染,然而在煤气化过程中产生的大量渣在堆积过程中不仅会占用大量土地,还会对地下水造成污染,因此当务之急是要做好对煤气化渣的处置和资源化利用。煤气化灰渣非常高的残碳含量,阻碍了它在建材领域的应用,开拓新的煤气化渣综合利用途径势在必行。本研究针对煤气化细渣高硅高碳特性,将其制备成具有高比表面积的炭硅复合材料。炭硅复合材料兼有碳材料和硅基材料的优点,具有广泛的应用前景,是煤气化渣综合利用的新思路。  在利用煤气化细渣为原料制备多孔炭硅复合材料的过程中,当活化温度为900℃,活化时间1h,盐酸浓度20%,酸浸时间30min,酸浸温度90℃时,得到的炭硅复合材料的比表面积高达1347m2/g,孔容0.69m3/g。正交实验研究发现,炭硅复合材料的比表面积和孔结构会受到活化条件和酸浸条件的影响:活化温度只有利于微孔的形成,活化时间仅对总比表面积有显著影响,而对总孔容几乎没有影响;酸浸过程主要利于介孔形成,盐酸浓度对总比表面积影响显著。碳硅复合材料的成孔机理为:微孔形成主要发生于碳结构中,是一个扩散控制的过程,而介孔形成主要发生于硅基结构中,是一个化学反应控制的过程。  经硝酸改性后,炭硅复合材料比表面积降低到638m2/g,是由于硝酸作用下,一方面微孔碳孔壁坍塌导致微孔孔容减少,同时硝酸的强酸性还可以破坏复合材料中二氧化硅的孔壁结构,从而使介孔孔容降低;另一方面,改性材料表面被引入大量含氧基团,占据了大量孔道,降低了孔容和比表面积。硝酸改性后的炭硅复合材料对Pb2+和Cu2+的最大吸附量则分别达到50.Omg/g和25.2mg/g,吸附过程符合二级吸附动力学模型且包含外扩散过程和内扩散过程。由于大量含氧基团的存在,化学吸附为主要控制步骤。  经硫酸铵改性后,炭硅复合材料的比表面积降低到474m2/g,与硝酸改性相比,微孔孔容更低,但介孔孔容更高。改性材料对Pb2+和Cu2+的最大吸附量分别为124mg/g和45.54mg/g。硫酸铵改性煤气化细渣制备的炭硅复合材料更具应用潜力。
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