不同載硫量活性炭對土壤汞蒸汽的吸附能力研究

廖銀鋒　張軍方

(貴州省環境科學研究設計院， 貴陽　550081)

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不同載硫量活性炭對土壤汞蒸汽的吸附能力研究

廖銀鋒張軍方*

(貴州省環境科學研究設計院， 貴陽550081)

活性炭由于具有較大的比表面積，可用于汞污染土壤中汞蒸汽的吸附。改性載硫活性炭利用汞的親硫性，可有效提高汞吸附效率。本研究利用5種不同載硫量活性炭吸附汞蒸汽，考察了活性炭載硫量對汞蒸汽吸附能力的影響。研究結果表明：活性炭的載硫量與吸附能力并不呈現完全對應關系，載硫量為10%的活性炭的吸附性能最好，而20%的載硫活性炭的吸附性能最差。采用300g的基礎活性炭，5%、10%、15%及20%載硫活性炭的飽和吸附量分別為26.38、42.70、43.53及16.26 mg。

活性炭；汞；吸附

重金屬汞是常溫下唯一一種呈液態的金屬元素，廣泛分布在地殼表層[1],汞及其化合物污染由于具有持久性、易遷移性和高度生物富集性，這些特性使其成為全球最受關注的重金屬污染物之一[2]。汞的汽化熱為13.905 kcal/mol，蒸汽比重為6.9，很容易蒸發為氣態，形成汞蒸汽。活性炭由于具有較大的比表面積，及一定的吸附能力，且價格便宜、易獲得、可再生，被廣泛應用于污水處理、煙氣處理和室內空氣凈化等領域[3-4]，是理想的汞蒸汽吸附材料之一。由于汞具有親硫性，在吸附過程中和硫生成HgS，達到除汞的效果，因此改性的載硫活性炭可以有效提高對汞蒸汽的吸附能力。然而不同載硫量活性炭吸附劑對汞蒸汽有不同的飽和吸附量，超出限值，活性炭將會被穿透，失去吸附能力。研究確定不同載硫量活性炭對汞蒸汽的吸附能力差異、飽和吸附量，對于汞污染的治理具有重要意義。

本研究利用載硫量分別為0%、5%、10%、15%、20%載硫活性炭(載硫量0%的活性炭又稱為基礎活性炭)，分別進行吸附汞蒸汽實驗，研究活性炭載硫量對汞蒸汽吸附能力的影響，以及不同載硫量活性炭的飽和吸附量，為選擇最佳吸附條件、優化含汞廢氣污染治理方案奠定基礎。

1　實驗設計

1.1不同載硫活性炭準備

載硫量為0%的活性炭是指對其只經前處理，而并未進行載硫過程的普通活性炭，稱為基礎活性炭。本研究主要使用了五種活性炭，即載硫量分別為0%、5%、10%、15%、20%的活性炭。載硫活性炭的制備方法主要參照鹿存房等[5]、鄧先倫等[6]、 顏甜等[7]活性炭改性方法，先用去離子水沖洗顆粒活性炭3～5次，洗凈后將其置于110℃的烘箱干燥2h，取出冷卻，然后將活性炭與固體硫按一定比例混合進行加熱反應，利用硫受熱升華的特性，使升華硫與活性炭充分接觸并吸附于活性炭表面。加熱前將固體硫置于底層，活性炭平鋪于表面，且將硫完全覆蓋，約10 min后每5 min對混合物攪拌一次，使其混合均勻，整個加熱過程持續30 min。不同載硫量的載硫活性炭見表1。

表1　不同載硫量的載硫活性炭

1.2汞污染土壤樣品的采集

土壤樣品按照《土壤環境監測技術規范》[8]，采自貴州省清鎮市東門橋汞污染農田，距離某有機化工廠排污口約300m。土壤樣品采用對角線取樣法，對角線分5等分，以等分點為采樣分點，在確定的采樣點上，用鐵锨剝去表層土壤，再用木鏟斜向下約0～20cm處取土壤樣品，最后將樣品集中起來混和均勻裝入聚乙烯袋內。樣品采集后，經風干、壓碎、除雜、磨碎過100目篩后備用。

1.3不同載硫量活性炭對土壤汞蒸汽吸附實驗

實驗采用自制簡易尾氣吸附裝置，吸附裝置如圖1所示。該尾氣吸附裝置主體是直徑10cm、長50cm的耐高溫PVC塑料管，PVC管最底部設有致密的鐵絲網，防止吸附劑下漏；鐵絲網上部鋪有一層棉花，防止土樣灰塵隨著氣流進入吸附裝置；棉花層上面是高約4cm顆粒狀的氧化鈣(CaO)，主要用于吸收尾氣中的水汽；CaO的上層是質量為300g、高約15cm的載硫量分別為0%、5%、10%、15%、20%不同載硫活性炭吸附劑；PVC管的頂端留有直徑1.5cm的小口連接大氣測汞儀，管的最上層用棉花覆蓋，防止灰塵進入大氣測汞儀。

實驗將4kg土壤樣品進行低溫熱解形成汞蒸汽氣體流，用分別填裝5種不同載硫量活性炭對汞蒸汽進行吸附，實驗過程中每隔20 min分別對5種活性炭進行取樣檢測，同時在出氣口端測定尾氣汞濃度，研究160 min內不同載硫量活性炭對汞蒸汽的吸附突破曲線，以及不同載硫量活性炭汞的吸附飽和量。

圖1　不同載硫活性炭吸附裝置填料示意圖

2　實驗結果及原因分析

本研究實驗結果如圖2～6所示。圖中以不同載硫量活性炭對汞蒸汽的吸附量為橫坐標、以吸附實驗排放的尾氣汞濃度為縱坐標，繪制成不同載硫量活性炭對汞蒸汽的吸附量、尾氣汞濃度關系變化數據圖。從圖2吸附突破曲線可以看出，用0%載硫量活性炭(基礎活性炭)吸附土壤汞蒸汽，當土壤樣品的處理量一定時，隨著處理時間的增加，基礎活性炭的吸附汞蒸汽≤26.38 mg時，汞排放濃度變化較為平穩，為0.007 25 mg/m3，低于排放標準中所規定的汞的最大允許排放量0.015 mg/m3；而當吸附量>26.38mg時，尾氣汞排放濃度呈直線上升，并且超出最大允許排放濃度限值0.015 mg/m3，說明此時的活性炭已經被穿透，不能再繼續使用。由此可見300 g基礎活性炭的最大吸附量為26.38 mg。同時，從圖3、5、6中可以進一步看出：300g 5%載硫活性炭的飽和吸附量為42.70 mg，尾氣汞濃度為0.007 mg/m3；而300g 15%載硫活性炭的飽和吸附量為43.53 mg，尾氣汞濃度為0.008 3 mg/m3；300 g 20%載硫活性炭的飽和吸附量為16.26 mg，尾氣汞濃度為0.008 mg/m3。

圖2　0%載硫量活性炭對汞蒸汽吸附突破曲線

圖3　5%載硫量活性炭對汞蒸汽吸附突破曲線

圖4中結果顯示,10%載硫活性炭的吸附汞蒸汽量的變化較為特殊，到實驗結束,其吸附量為76.74mg，但是尾氣汞濃度仍低于0.015 mg/ m3的限值，但此時吸附柱仍未被穿透，這表明該吸附柱仍具有一定吸附能力，為保證實驗條件的統一性，在該研究中未進一步延長吸附時間。因此，從圖4中結果可得出，300g 10%載硫活性炭的飽和吸附量應大于76.74mg。此外，從圖2～6還可進一步得出，各種不同載硫量的改性活性炭的汞飽和吸附量的關系為：10%載硫活性炭>15%載硫活性炭>5%載硫活性炭>基礎活性炭>20%載硫活性炭。

圖4　10%載硫量活性炭對汞蒸汽吸附突破曲線

圖5　15%載硫量活性炭對汞蒸汽吸附突破曲線

圖6　20%載硫量活性炭對汞蒸汽吸附突破曲線

基于上述實驗結果，可以發現適度載硫量(<20%)可以提高活性炭對汞的吸附能力，但載硫量過高(>20%)反而會大大降低活性炭對汞的吸附能力。這主要是因為低載硫量活性炭利用了汞的親硫反應性、活性炭的吸附性，提升了吸附能力；而高載硫量活性炭由于硫堵塞了活性炭表面具有吸附功效的孔隙，減小了活性炭的比表面積，反而降低了它的吸附能力。

3　結論

該研究結論如下：

(1)載硫活性炭吸附汞蒸汽量與載硫量并非嚴格正相關。

(2)載硫量為10%的改性活性炭汞吸附性能最佳，在該研究條件下，300g 10%載硫活性炭的飽和吸附量>76.74mg，尾氣排放中汞的含量一直低于標準限值。

(3)20%的載硫活性炭的吸附性能最差，這說明并非載硫量越高，汞吸附性能越好。

(4)不同載硫量的改性活性炭的汞飽和吸附量大小順序關系為：10%載硫活性炭>15%載硫活性炭>5%載硫活性炭>基礎活性炭>20%載硫活性炭。

[1]李成劍.汞污染危害分析與防范措施探討[J].長江大學學報(自然科學版)，2010,7(2)：151-152.

[2]方鳳滿,王起超.土壤汞污染研究進展[J].土壤與環境，2000,9(4)：326-329.

[3]Lee S H ,Rhim Y J,Cho S P,et al.Carbon-based novel sorbent for removing gas-phase mercury[J]. Fuel,2006,85(2):219-226.

[4]Yang Hongquan, Xu Zhenghe, Fan Maohong, et al.Adsorbent for capturing mercury in coal-fired boiler flue gas[J]. Jonrnal of Hazardous Materials,2007,146(1-2):1-11.

[5]鹿存房，劉清才，高威，等.載硫活性炭微觀結構和表面形態研究[J].環境工程學報，2009，3(8)：1521-1523.

[6]鄧先倫,蔣劍春. 除汞載硫活性炭研發[J].林產化工通訊，2004，38(3)：13-16.

[7]顏甜，左宋林.高溫載硫活性炭的制備及脫汞能力研究[J].環境污染與防治，2012，34(4)：1-4.

[8]國家環保總局. HJ/T166-2004 土壤環境監測技術規范[S]. 北京：中國環境科學出版社，2004.

A Study on capacities of activated carbon with different sulfur contents for adsorbing Mercury-Vapor in soil

Liao Yinfeng, Zhang Junfang

(Guizhou Institute of Environmental Science and Designing, Guiyang 550081)

Activated carbon has a large specific surface area, which can be used to adsorb Mercury-Vapor in mercury contaminated soils. Modified activated carbon loaded by sulfur can effectively improve the adsorption capacity of mercury. In this study, 5 groups of activated carbon loaded with different amount of sulfur were employed for studying their adsorption capacity of mercury vapor. The results of the study show that the sulfur contents in activated carbon is not completely co-related with the adsorption capacity, best performance in terms of adsorption capacity was witnessed as sulfur content in activated carbon is about at 10%, while worst performance was obtained as sulfur content increased to about 20%. The saturated adsorption capacities for 5%, 10%, 15%and 20% sulfur-loaded activated carbon (300g base activated carbon) were 26.38mg, 42.70 mg, 43.53mg and 16.26mg respectively.

activated Carbon; mercury; adsorption

2016-04-28; 2016-07-03 修回

廖銀鋒，男，1980年生，碩士，研究方向：環境污染防治。E-mail：liaoyf2007@126.com

張軍方，男，1979年生，博士，研究員，研究方向：重金屬污染控制。

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