CN101402475A

CN101402475A - 氧化镁/活性炭复合材料的制备方法及其应用

Info

Publication number: CN101402475A
Application number: CNA2008101574050A
Authority: CN
Inventors: 孙金香; 王海增; 郭鲁钢; 侯少芹
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2008-09-28
Filing date: 2008-09-28
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2028-09-28
Also published as: CN101402475B

Abstract

本发明公开了用镁盐和造纸草浆黑液制备氧化镁/活性炭复合材料的方法，其特征是将镁盐和造纸草浆黑液混合，搅拌，陈化，得到黑色胶状物质，80～110℃烘干；按照固液比1g∶1～5.5ml把所得的固体和氯化锌水溶液混和，浸渍2～8h后，将此混合溶液离心，得到的固体物于80～110℃烘干；将所得固体物置于活化炉中，在氮气保护下升温至450～750℃，活化1～7h后，冷却至室温；将所得的焙烧产物用水浸泡2～4h，过滤，水洗至无SO₄ ^2－或Cl^－，80～100℃烘干，即得氧化镁/活性炭复合材料。本发明利用造纸草浆黑液为碱源和碳源，与来自卤水中的镁盐反应，原料廉价易得，能实现双向治理。

Description

氧化镁/活性炭复合材料的制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种用镁盐和造纸草浆黑液制备氧化镁/活性炭复合材料的方法，更具体地说是用造纸草浆黑液中的废碱和有机物及来自卤水(或盐湖)中的镁盐为原料制备氧化镁/活性炭复合材料的方法，并将发明所得产品应用于重金属离子脱除、印染废水处理或油品脱硫等方面。

背景技术

我国是世界第一大海盐生产国，伴随着海盐每年副产近3000万立方米苦卤，苦卤中主要含有氯化镁和硫酸镁(31波美度的苦卤大约含有氯化镁140g/L、硫酸镁79g/L、氯化纳130g/L)。若不加以利用，Mg²⁺就会渗入地下，污染地下水，并且严重影响盐的产量和质量。我国盐湖众多，其中蕴涵大量的镁资源，仅柴达木盐湖，探明的镁盐储量就达48.16亿吨，其中氯化镁31.43亿吨、硫酸镁16.73亿吨。但目前，我国盐湖卤水资源的开发主要以钾肥和制盐为主，伴随主导产品的生产而产生的大量水氯镁石未得到有效利用。对这部分水氯镁石大多采用远距离排放回盐湖的方式处理，长期排放积累严重破坏了盐湖卤水的成分平衡，形成“镁害”。大量的镁资源得不到开发利用，浪费了资源，污染了环境，影响了主导产品的正常生产，已成为制约卤水化学资源开发利用的瓶颈，国内迫切需要开发大规模使用镁盐的新领域。近年来，氧化镁/氢氧化镁在环境治理方面的研究十分活跃，其在印染废水处理、重金属离子脱除、酸性废水处理、烟气脱硫方面均显示出了优良的效果。目前，利用卤水镁资源生产氧化镁和氢氧化镁的主要途径是通过加碱(氢氧化钙、氢氧化钠、氨水)反应沉淀出氢氧化镁。此方法导致产品成本过高，限制了镁氧产品的推广应用。因此，寻找廉价的碱源对于以卤水为镁源生产镁氧化合物具有重要意义。

造纸草浆黑液是造纸生产中的主要污染源。黑液即由生物耗氧量(BOD₅)的碱及色素与化学耗氧量(CODcr)的碱、木素所组成的耗氧废水，其中含有机物69％，无机物31％。一般每生产1吨化学浆需要2.2吨麦草，300千克烧碱，大约有1.5吨废弃物进入蒸煮黑液中，而1.5吨废弃物中含有约1吨以上有机物(有机物中木素占40％左右)、400～500kg的无机物(其中主要是NaOH)。CODcr的发生量约1300kg/t浆，BOD₅的发生量约350kg/t浆。目前，国内外公认的治理碱法制浆黑液的最经济有效的途径是碱回收，但是碱回收装置投资巨大、能耗高、工艺不稳定，并且对于含硅量高的草浆黑液，易造成黑液流送不利、容易结垢、运行成本高等问题，只有经济实力很强的大型木浆造纸厂才能使用，而对中小型造纸厂来说，则是望而生畏。至今，全行业麦草浆宏观碱回收率不足30％，每年约有百多万吨左右的烧碱流失，严重污染了环境。因此，造纸草浆黑液无害化与资源化治理成为亟需解决的大问题。近年，国内外对用造纸草浆黑液制备活性炭作了大量研究。然而这些研究大部分均是基于从黑液中提取木质素后再活化制得活性炭，只是利用了黑液中的木质素，有机物利用率低，且未能实现对黑液中碱的回收和利用。因而，迫切需要寻求一条实现对造纸草浆黑液资源化利用的绿色途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种以造纸草浆黑液中的废碱和有机物及来自卤水(或盐湖)中的镁盐为原料制备氧化镁/活性炭复合材料的方法，以弥补现有技术的上述不足。

一种用镁盐和造纸草浆黑液制备氧化镁/活性炭复合材料的方法，其特征在于有以下几个步骤：将镁盐和造纸草浆黑液混合，搅拌，陈化，得到黑色胶状物质，80～110℃烘干；按照固液比1g∶1～5.5ml把所得的固体和1～7mol/L的氯化锌水溶液混和，浸渍2～8h后，将此混合溶液离心，得到的固体物于80～110℃烘干；将所得固体物置于活化炉中，在氮气保护下升温至450～750℃，活化1～7h后，冷印至室温；将所得的焙烧产物用水浸泡2～4h，过滤，水洗至无SO₄ ^2-或Cl^-，80～100℃烘干，即得氧化镁/活性炭复合材料。

上述方法制得的氧化镁/活性炭复合材料在废水中Cu²⁺和Cr⁶⁺离子脱除、印染废水中染料活性蓝194和酸性棕28的脱除或油品脱硫中的应用。

本发明为卤水(或盐湖)中镁资源和造纸草浆黑液在化工、环保及日常生活等方面的资源化综合利用开拓了一条新途径，具有广阔的发展前景。

附图说明

附图1是以硫酸镁为镁盐制备的氧化镁/活性炭复合材料的SEM图。

附图2是以氯化镁为镁盐制备的氧化镁/活性炭复合材料的SEM图。

具体实施方式

下面通过实例来详细说明。

实施例：

按照每升造纸草浆黑液里添加1.5mol硫酸镁的比例取料，将硫酸镁加入造纸草浆黑液中，用增力搅拌器搅拌2h，陈化，然后将得到的混合物置于干燥箱中80℃烘干24h。按照固液比1g∶4ml，将干燥所得固体物浸渍在3mol/L的氯化锌水溶液中8h。浸渍完后，离心分离，弃去上清液，把剩余的固体混合物置于干燥箱中80℃烘干24h，得“氧化镁/活性炭”复合材料前驱物。将前驱物置于高温电阻炉中，在氮气保护下以10℃/min升温至活化温度550℃，活化5h。活化完后，在氮气保护下冷却至室温，用去离子水浸泡2h，过滤，然后水洗至无SO₄ ^2-，干燥即得氧化镁/活性炭复合材料，记作C1。

若把上述实施例中的硫酸镁换作氯化镁，氯化镁添加量为0.5mol/L，固液比为1g∶1ml，氯化锌水溶液的浓度为1mol/L，浸渍时间4h，活化温度650℃，活化时间5h。最后水洗至无Cl^-，亦可得到氧化镁/活性炭复合材料，记作C2。

本发明中所述的硫酸镁加入量为每升黑液0.5～2.5mol，氯化锌水溶液浓度为1～7mol/L，固液比为1g∶1～5.5ml，浸渍时间为2～8h，活化温度为450～750℃，活化时间为1～7h，焙烧产物用去离子水的浸泡时间为2～4h，烘干温度为80～110℃。

上述产品的表面形貌分析见附图。从图中可以看出，本发明制得的产品表面存在不同尺寸和形状的孔，炭质组分上均匀散布着白色的氧化镁颗粒，与文献报道的“马赛克”式一致。EDX结果表明，所制备的样品中主要含有C、Mg和O三种元素，还含有少量杂质，如Zn、Cl、S和Si。Zn、Cl来自于活化剂氯化锌，S的存在可能是SO₄ ^2-没有洗净所致，而Si来自于草类制浆的原料，在制浆蒸煮过程中进入黑液并以硅酸根的形式存在，加入镁盐后反应成硅酸镁，最终存在于制备的产品中。

采用GB/T12496.7-90“木质活性炭试验方法碘吸附值的测定”对上述所得产品中的活性炭成分进行了碘吸附值的测定，得到的碘吸附值为460.00～596.05mg/g，表明产品中炭质确实具有活性炭的典型的碘吸附性能，即产品中确实有活性炭；比表面积为424.52～515.69m²/g，所得产品的孔径均大于2nm(2.62～3.57nm)，表明其具有中孔性质。

本发明制得的产品可用于废水中Cu²⁺和Cr⁶⁺离子的吸附脱除：分别称取产品C1、C2各0.10g于100mL具塞三角瓶中，加入50mL浓度为50mg·L^-1Cu²⁺或Cr⁶⁺溶液，于25℃下衡温震荡24h，测定吸附后溶液的平衡浓度，计算脱除率：脱除率(％)＝(C₀-C_e)/C₀×100％，C₀和C_e为初始和平衡浓度mg·L^-1。结果表明产品Cu²⁺的吸附容量为22.70～24.64g/g，脱除率为90.81～98.54％，而对Cr⁶⁺的吸附容量为24.09～25.01g/g，脱除率为48.19～50.12％。可以看出本发明的产品对废水中Cu²⁺的吸附远大于对Cr⁶⁺的吸附，尤其是对50mg/L的Cu²⁺，几乎达到完全脱除的效果。

本发明制得的产品对印染废水中的染料也有显著的脱除效果，如对染料活性蓝194和酸性棕28的吸附脱除：称取产品C10.10g于250mL具塞三角瓶中，加入100mL浓度为100mg·L^-1的染料溶液，于30℃下衡温震荡24h，测定吸附后溶液的平衡浓度，计算脱色率：脱色率(％)＝(C₀-C_e)/C₀×100％，C₀和C_e为初始和平衡浓度mg·L^-1。结果显示产品对酸性棕28的吸附性能(脱色率96.07％)优于对活性蓝194的吸附(脱色率93.20％)，这是因为活性蓝194的分子大于酸性棕28，因而在样品表面上可以容纳的酸性棕28分子的数量大于活性蓝194。

将本发明产品C1用于油品脱硫，通过固定床反应器考察氧化镁/活性炭复合材料对FCC汽油的脱硫性能，并和商品活性炭、氧化镁加以比较。反应器内径为8mm，长为30cm，内装5ml(0.8898g)脱硫剂(40～60目)，在进样泵的作用下，使汽油通过脱硫剂层，在出口处接收脱硫后汽油，通过色谱分析检测汽油中的剩余硫含量来评价该脱硫剂的脱硫性能。脱硫过程中的脱硫温度为110℃，空速为5h^-1，油剂比1.0。

表1各脱硫剂油品脱硫的参数

脱硫剂	初始硫容/％	穿透硫容/％	穿透时间/min
脱硫剂	初始硫容/％	穿透硫容/％	穿透时间/min	氧化镁/活性炭	98.23	5.50	110
商品活性炭	89.43	0.33	10	氧化镁/活性炭	98.23	5.50	110
商品活性炭	89.43	0.33	10	氧化镁	58.40	9.31	20

结果表明，本发明产品的脱硫性能不仅明显高于商品活性炭和氧化镁，且脱硫后汽油硫含量降低了、含硫化合物种类减少了，其中的苯并噻吩(BT)基本全部脱除。对本发明产品脱硫后的产物在氮气保护下300℃焙烧2h，得到的再生产物的初始硫容达91.46％，穿透时间为110min，穿透硫容为5.00％，表现出了良好的再生性能。

Claims

1、一种用镁盐和造纸草浆黑液制备氧化镁/活性炭复合材料的方法，其特征在于有以下几个步骤：将镁盐和造纸草浆黑液混合，搅拌，陈化，得到黑色胶状物质，80～110℃烘干；按照固液比1g∶1～5.5ml把所得的固体和1～7mol/L的氯化锌水溶液混和，浸渍2～8h后，将此混合溶液离心，得到的固体物于80～110℃烘干；将所得固体物置于活化炉中，在氮气保护下升温至450～750℃，活化1～7h后，冷却至室温；将所得的焙烧产物用水浸泡2～4h，过滤，水洗至无SO₄ ^2-或Cl^-，80～100℃烘干，即得氧化镁/活性炭复合材料。

2、权利要求1所述的制备方法制得的氧化镁/活性炭复合材料在废水中Cu²⁺和Cr⁶⁺离子脱除、印染废水中染料活性蓝194和酸性棕28的脱除或油品脱硫中的应用。