煤气化渣改性工艺及吸附Cd2 性能

摘 要   以固体废弃物煤气化渣(CGS)为材料，通过水热法制备改性煤气化渣(MCGS)吸附材料，并用于吸附Cd ²⁺ 。由于CGS吸附Cd ²⁺ 能力较低，利用Box-Behnken响应面模型方法优化改性条件，X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪等表征CGS及制备的MCGS的物理化学性质。改性结果表明，MCGS最佳反应条件为碱度6.20%~8.10%、温度102~108℃和时间138~192 min，温度对MCGS吸附Cd ²⁺ 性能影响最大。改性后Si-O-Si键断裂，MCGS表面含有丰富的孔隙结构，比表面积、孔容和孔径分别为255.08 m ² /g, 0.24 cm ³ /g和3.72 nm；吸附结果表明，当Cd ²⁺ 浓度50 mg/L、MCGS投加量为0.10 g时，Cd ²⁺ 饱和吸附量为13.96 mg/g；当Cd ²⁺ 浓度40 mg/L、MCGS投加量为0.20 g时，Cd ²⁺ 去除率98.08%；MCGS对重金属Cd ²⁺ 的吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir模型。本研究可为CGS处理含Cd ²⁺ 废水提供理论依据。

关键词 煤气化渣；改性；重金属吸附；Box-Behnken响应面法 

随着我国工业化进程不断加速，采矿、冶炼、电镀等行业已对地下水造成了严重的Cd ²⁺ 污染 ^{[ 1 ]} 。Cd ²⁺ 因具有毒性高、亲和力强、难以处理等特点，会对人体造成严重危害 ^{[ 2 ]} 。目前处理Cd ²⁺ 污染的方法有化学沉淀法、膜过滤法、吸附法等 ^{[ 3 ]} 。吸附法因具有成本低、不产生副产物等优点 ^{[ 4 ]} ，常被用于去除废水中的Cd ²⁺ 。高树芳等 ^{[ 5 ]} 将深红酵母高温灭菌后培养2880 min，对Cd ²⁺ 的吸附量为8.86 mg/g；Karunanayake等 ^{[ 6 ]} 将磁铁矿沉淀到湿法快速热解生成的生物炭上制备磁性生物炭，其对Cd ²⁺ 的吸附量为16.00 mg/g；Zhu等 ^{[ 7 ]} 采用脂肽改性钠蒙脱石，实现了对Cd ²⁺ 的最大吸附容量，可达19.50 mg/g。然而以上工艺存在操作复杂、成本高和周期长等不足，因此，亟须寻找一种操作简单、无污染且低成本的工艺，用于处理含Cd ²⁺ 污染废水 ^{[ 8 ]} 。

煤气化渣(CGS)是煤中有机质转变为富含H ₂ , CO和CH ₄ 的产物过程中排出的固体废弃物 ^{[ 9 , 10 ]} ，通常呈现为粒径较小的飞灰状 ^{[ 11 ]} 。CGS由硅酸盐玻璃体和不定型碳组成，包括大块玻璃体和非静态多孔碳 ^{[ 12 ]} ，其主要成分为SiO ₂ , Fe ₂ O ₃ , Al ₂ O ₃ 和C等 ^{[ 13 ]} 。目前，我国CGS处理方式主要是堆放或填埋，而长时间堆积会增加维护成本，同时较小的微粒会随空气中气流散布，产生扬尘；径流液和渗滤液的流动会造成土壤和水体污染 ^{[ 14 ]} ，从而引起严重的生态环境问题。2021年我国CGS产量超过3000万吨，但利用率不到30%，且主要集中在建工建材制备、土壤与水体修复和残碳利用等领域，产品附加值较低 ^{[ 15 , 16 ]} 。因此，对CGS的高值化利用迫在眉睫。

CGS作为吸附剂是提高其附加值的有效途径。然而，由于CGS中含有Ca, Fe等杂质元素及一定量的残碳，导致其吸附位点不足，存在去除效率低和循环利用困难等问题，因此需要对其进行改性以提高吸附性能。目前，常用的改性手段之一是使用碱作为助熔剂来分解CGS中的莫来石、石英等物质 ^{[ 17 ]} ，再结合碱式盐改变石英的晶体结构，制备A型沸石和SAPO-20分子筛杂晶，比表面积可以达到311.00 m ² /g ^{[ 18 ]} ；Ji等 ^{[ 19 ]} 使用NaOH对CGS进行改性，在不进行高温煅烧的条件下成功制备出NaP沸石，比表面积可达161.06 m ² /g。

本工作以CGS为原料，通过X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、N ₂ 脱吸附等温线和比表面积(BET)、扫描电镜(SEM)等表征手段分析改性煤气化渣(MCGS)的物理化学性能，采用碱改性方法，通过建立Box-Behnken响应面模型优化碱度、温度、时间等反应条件，得到最佳制备工艺。考察Cd ²⁺ 初始浓度、投加量、温度等因素对Cd ²⁺ 吸附量的影响，并结合动力学和等温吸附曲线模型，阐明MCGS对Cd ²⁺ 吸附机理，为CGS处理含重金属离子废水提供理论依据。