煤吸附水中有機酸研究

張文斌， 魏麗丹， 劉美多， 王雅珍

(黑龍江工業(yè)學院 環(huán)境工程系， 黑龍江 雞西 158100)

煤吸附水中有機酸研究

張文斌， 魏麗丹， 劉美多， 王雅珍

(黑龍江工業(yè)學院 環(huán)境工程系， 黑龍江 雞西 158100)

40～80目的煤吸附水中有機酸達到飽和需要3 h，飽和吸附量可達0.368 8 g/g。煤防氧化和有機廢水處理方法可用于煤的改性處理。

煤； 吸附； 有機酸

0 引 言

有機酸是一種在石化廢水中常見的污染物，其中低階有機酸是主要污染物[1]。除工業(yè)廢水中的有機酸外，在氣相中的有機酸對于環(huán)境的污染也是非常嚴重的，可以增加酸雨的酸度[2]。在這些引起酸雨酸度增加的有機酸中，甲酸和乙酸占80%，甲酸、乙酸和乙二酸在各種有機酸中占89%，是主要污染物[3]。有機酸是氧化態(tài)較高、性質(zhì)穩(wěn)定的污染物，去除該污染物是非常麻煩的過程，其中李圭白教授課題組對降解有機酸使用的是膨脹石墨強化臭氧氧化法來降解水中的有機酸[4]，馬應(yīng)元[5]等使用微生物降解水中有機酸，王津南[6]等采用聚合物樹脂吸附有機酸，但無論哪一種方法均有較高的價格，對于煤礦地區(qū)，煤炭是一種具有吸附能力的非金屬礦物，煤是多孔固體，容易吸附水分、氣體分子等物質(zhì)。姚素平[7]等用原子力顯微鏡觀察煤的孔隙結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明煤的孔隙結(jié)構(gòu)呈圓形和橢圓形，主要為變質(zhì)氣孔和分子間的鏈間孔。煤中含有大量芳香環(huán)，對氧氣的吸附可以分為環(huán)對煤的吸附和側(cè)基的吸附。鄧存寶[8]等人的DFT研究表明，苯環(huán)對氧分子的吸附能為30.94 kJ/mol，與側(cè)鏈氨基集團的吸附能達到71.81 kJ/mol，高于苯環(huán)本身對氧分子的吸附能，在煤炭自燃過程中起更重要的作用，計算結(jié)果還表明煤的含硫側(cè)鏈對氧的吸附能可達601.93 kJ/mol[9]，放出的熱對煤的自燃有很大幫助，因此煤種含硫量越高，自燃的危險越大，與實際情況相同。除硫元素外，磷元素對煤吸附氧氣后放熱也很高[10]，可以達到606.09 kJ/mol，由于磷含量遠低于硫含量，因此在自燃的危害上要小于含硫量的影響。梁運濤[11]等的研究表明，煤吸附的動態(tài)變化過程分為活性吸附、變能吸附、趨勢化吸附階段，煤吸附活化能與覆蓋度之間存在對數(shù)關(guān)系，同時指出，煤炭自燃與吸氧速度相關(guān)。

煤的吸附特性隨著煤中含有的鏡質(zhì)組和惰性組的含量不同而不同，同時也與孔徑分布有關(guān)，一般來說，煤的吸附主要取決于有機物質(zhì)，其中鏡質(zhì)組的吸附能力要略強于惰性組，同一煤層中的亮煤比暗煤吸附性強，20個大氣壓以上的高壓下，絲質(zhì)組的吸附強于鏡質(zhì)組[11]。另外吸附性的大小與煤的滲透性有關(guān)[12]，吸附性越強，吸附量越大，滲透性就越小。煤對于其它物質(zhì)的吸附可以形成伴生礦，如對鈾礦的吸附[13]，形成親煤型砂巖鈾礦，在煤炭燃燒的過程中以粉煤灰的形式釋放放射性污染物，造成嚴重的環(huán)境污染。但同時也可以進行改性后用于環(huán)境污染的治理，如使用磺化后的泥炭對六價鉻廢水進行處理[14]，不只可以吸附重金屬離子，還可以先對六價鉻進行還原,以降低其毒性。然而作為一種有機礦物的煤對于吸附水中的有機物質(zhì)尚未有實驗研究，這對于煤的防氧化和有機廢水的處理關(guān)系密切，我們對煤吸附水中的乙酸進行了研究，發(fā)現(xiàn)洗選后的1/3焦煤對于乙酸有著很好的吸附作用，吸附后的處理量也比較大，可以作為煤防氧化和有機廢水的煤吸附處理的參考。

1 實驗部分

實驗選用購自雙河煤礦洗選后的1/3焦煤作為吸附劑原料，過篩后選取40～80目的粒度，該粒度易于過濾且吸附量較大。試劑選擇分析純冰乙酸和氫氧化鈉，標定選擇優(yōu)級純鄰二苯甲酸氫鉀作為標定劑，室溫23 ℃。

首先將煤樣干燥，在此期間配制NaOH標準溶液、CH3COOH溶液、鄰二苯甲酸氫鉀標準溶液。干燥后的煤樣準確稱取1.000 0 g，分為7組，分別加入乙酸溶液20.00 mL，7組分別吸附15,30,60,90,120,150,180 min，另使用碘量瓶在同等條件下做相同實驗，兩天后測量乙酸吸附量獲得吸附乙酸的質(zhì)量見表1。

表1 不同時間吸附量的變化

其中,180 min吸附乙酸的量與在碘量瓶中放置兩天的煤樣吸附的量相同，均為0.368 8 g，因此可看出180 min煤吸附乙酸已經(jīng)飽和，無法再吸附。另外，120 min后的吸附量已經(jīng)達到0.367 4 g，與180 min及兩天吸附量非常相近。煤吸附乙酸的量隨時間的變化如圖1所示。

圖1 煤吸附乙酸的量隨時間的變化

通過圖中的吸附時間曲線可以看出，煤吸附乙酸的吸附速率開始很快，隨著吸附時間的增加，吸附速率在2.0 h已幾乎為0，工業(yè)價值已經(jīng)不大，因此,在工業(yè)上可采用2.0 h作為工作周期，2.0～3.0 h，每克煤的吸附量僅僅增加了0.001 4 g，設(shè)備的使用率降低，效率變差。

除對煤吸附乙酸量與時間的關(guān)系研究外，還研究了乙酸吸附量與煤質(zhì)量之間的關(guān)系,如圖2所示。

圖2 乙酸吸附質(zhì)量與煤質(zhì)量之間的關(guān)系

圖中列出了煤質(zhì)量對于乙酸吸附質(zhì)量的影響，時間選定為2 h。從圖中可以看出，乙酸吸附量隨煤質(zhì)量的增加線性增加，考慮煤的固體顆粒度不均勻的影響，該線性關(guān)系良好。從該線性關(guān)系可以看出，煤粒之間在吸附過程中的相互干擾較小，可以認為煤質(zhì)量越大，吸附量越大，適宜工業(yè)化應(yīng)用。

煤吸附乙酸后可以在煤粒表面形成一層有機酸保護膜，阻止空氣對煤的氧化，減緩風化對于煤的影響。煤通過高溫燃燒，乙酸被徹底氧化，提供部分熱量，在吸附有機酸的同時可以做到減緩風化和增加燃燒熱，可以做到工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)保兼顧、雙贏。

2 結(jié) 語

煤對于乙酸的吸附量較大，且煤粒間的相互影響較小，可以用作石化工業(yè)廢水等含有機酸的廢水，吸附后的煤用于燃燒可提高煤的熱值，是一種既能夠解決有機工業(yè)廢水，又可以提高煤的燃燒熱的雙贏辦法，另外可以利用在煤的表面吸附酸的方式來保護煤場的煤不會迅速被氧化失效，可以說對于燃煤企業(yè)和廢水排放企業(yè)都是一種有益的參考方法。

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Organic acid in coal-absorbed water

ZHANG Wen-bin, WEI Li-dan, LIU Mei-duo, WANG Ya-zhen

(Department of Enviroment, Heilongjiang University of Technology, Jixi 158100， China)

In 40～80 order coal-absorbed water, 3 hours are needed for organic acid to reach the saturation, and the absorption rate is up to 0.368 8 g/g. Both the anti-oxidation and organic waste water dealing method can be used for coal modification.

coal; adsoption; organic acid.

2014-05-25

張文斌(1979-)，男，漢族，山西陽泉人，黑龍江工業(yè)學院副教授，博士，主要從事化學反應(yīng)機理、化學提純法、化學教育方向研究,E-mail:zwbwldzjy@126.com.

TD 849.3

A

1674-1374(2014)06-0713-03