煤吸附水中有机酸研究

张文斌， 魏丽丹， 刘美多， 王雅珍

(黑龙江工业学院 环境工程系， 黑龙江 鸡西 158100)

煤吸附水中有机酸研究

张文斌， 魏丽丹， 刘美多， 王雅珍

(黑龙江工业学院 环境工程系， 黑龙江 鸡西 158100)

40～80目的煤吸附水中有机酸达到饱和需要3 h，饱和吸附量可达0.368 8 g/g。煤防氧化和有机废水处理方法可用于煤的改性处理。

煤； 吸附； 有机酸

0 引 言

有机酸是一种在石化废水中常见的污染物，其中低阶有机酸是主要污染物[1]。除工业废水中的有机酸外，在气相中的有机酸对于环境的污染也是非常严重的，可以增加酸雨的酸度[2]。在这些引起酸雨酸度增加的有机酸中，甲酸和乙酸占80%，甲酸、乙酸和乙二酸在各种有机酸中占89%，是主要污染物[3]。有机酸是氧化态较高、性质稳定的污染物，去除该污染物是非常麻烦的过程，其中李圭白教授课题组对降解有机酸使用的是膨胀石墨强化臭氧氧化法来降解水中的有机酸[4]，马应元[5]等使用微生物降解水中有机酸，王津南[6]等采用聚合物树脂吸附有机酸，但无论哪一种方法均有较高的价格，对于煤矿地区，煤炭是一种具有吸附能力的非金属矿物，煤是多孔固体，容易吸附水分、气体分子等物质。姚素平[7]等用原子力显微镜观察煤的孔隙结构，结果表明煤的孔隙结构呈圆形和椭圆形，主要为变质气孔和分子间的链间孔。煤中含有大量芳香环，对氧气的吸附可以分为环对煤的吸附和侧基的吸附。邓存宝[8]等人的DFT研究表明，苯环对氧分子的吸附能为30.94 kJ/mol，与侧链氨基集团的吸附能达到71.81 kJ/mol，高于苯环本身对氧分子的吸附能，在煤炭自燃过程中起更重要的作用，计算结果还表明煤的含硫侧链对氧的吸附能可达601.93 kJ/mol[9]，放出的热对煤的自燃有很大帮助，因此煤种含硫量越高，自燃的危险越大，与实际情况相同。除硫元素外，磷元素对煤吸附氧气后放热也很高[10]，可以达到606.09 kJ/mol，由于磷含量远低于硫含量，因此在自燃的危害上要小于含硫量的影响。梁运涛[11]等的研究表明，煤吸附的动态变化过程分为活性吸附、变能吸附、趋势化吸附阶段，煤吸附活化能与覆盖度之间存在对数关系，同时指出，煤炭自燃与吸氧速度相关。

煤的吸附特性随着煤中含有的镜质组和惰性组的含量不同而不同，同时也与孔径分布有关，一般来说，煤的吸附主要取决于有机物质，其中镜质组的吸附能力要略强于惰性组，同一煤层中的亮煤比暗煤吸附性强，20个大气压以上的高压下，丝质组的吸附强于镜质组[11]。另外吸附性的大小与煤的渗透性有关[12]，吸附性越强，吸附量越大，渗透性就越小。煤对于其它物质的吸附可以形成伴生矿，如对铀矿的吸附[13]，形成亲煤型砂岩铀矿，在煤炭燃烧的过程中以粉煤灰的形式释放放射性污染物，造成严重的环境污染。但同时也可以进行改性后用于环境污染的治理，如使用磺化后的泥炭对六价铬废水进行处理[14]，不只可以吸附重金属离子，还可以先对六价铬进行还原,以降低其毒性。然而作为一种有机矿物的煤对于吸附水中的有机物质尚未有实验研究，这对于煤的防氧化和有机废水的处理关系密切，我们对煤吸附水中的乙酸进行了研究，发现洗选后的1/3焦煤对于乙酸有着很好的吸附作用，吸附后的处理量也比较大，可以作为煤防氧化和有机废水的煤吸附处理的参考。

1 实验部分

实验选用购自双河煤矿洗选后的1/3焦煤作为吸附剂原料，过筛后选取40～80目的粒度，该粒度易于过滤且吸附量较大。试剂选择分析纯冰乙酸和氢氧化钠，标定选择优级纯邻二苯甲酸氢钾作为标定剂，室温23 ℃。

首先将煤样干燥，在此期间配制NaOH标准溶液、CH3COOH溶液、邻二苯甲酸氢钾标准溶液。干燥后的煤样准确称取1.000 0 g，分为7组，分别加入乙酸溶液20.00 mL，7组分别吸附15,30,60,90,120,150,180 min，另使用碘量瓶在同等条件下做相同实验，两天后测量乙酸吸附量获得吸附乙酸的质量见表1。

表1 不同时间吸附量的变化

其中,180 min吸附乙酸的量与在碘量瓶中放置两天的煤样吸附的量相同，均为0.368 8 g，因此可看出180 min煤吸附乙酸已经饱和，无法再吸附。另外，120 min后的吸附量已经达到0.367 4 g，与180 min及两天吸附量非常相近。煤吸附乙酸的量随时间的变化如图1所示。

图1 煤吸附乙酸的量随时间的变化

通过图中的吸附时间曲线可以看出，煤吸附乙酸的吸附速率开始很快，随着吸附时间的增加，吸附速率在2.0 h已几乎为0，工业价值已经不大，因此,在工业上可采用2.0 h作为工作周期，2.0～3.0 h，每克煤的吸附量仅仅增加了0.001 4 g，设备的使用率降低，效率变差。

除对煤吸附乙酸量与时间的关系研究外，还研究了乙酸吸附量与煤质量之间的关系,如图2所示。

图2 乙酸吸附质量与煤质量之间的关系

图中列出了煤质量对于乙酸吸附质量的影响，时间选定为2 h。从图中可以看出，乙酸吸附量随煤质量的增加线性增加，考虑煤的固体颗粒度不均匀的影响，该线性关系良好。从该线性关系可以看出，煤粒之间在吸附过程中的相互干扰较小，可以认为煤质量越大，吸附量越大，适宜工业化应用。

煤吸附乙酸后可以在煤粒表面形成一层有机酸保护膜，阻止空气对煤的氧化，减缓风化对于煤的影响。煤通过高温燃烧，乙酸被彻底氧化，提供部分热量，在吸附有机酸的同时可以做到减缓风化和增加燃烧热，可以做到工业生产和环保兼顾、双赢。

2 结 语

煤对于乙酸的吸附量较大，且煤粒间的相互影响较小，可以用作石化工业废水等含有机酸的废水，吸附后的煤用于燃烧可提高煤的热值，是一种既能够解决有机工业废水，又可以提高煤的燃烧热的双赢办法，另外可以利用在煤的表面吸附酸的方式来保护煤场的煤不会迅速被氧化失效，可以说对于燃煤企业和废水排放企业都是一种有益的参考方法。

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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

张文斌(1979-)，男，汉族，山西阳泉人，黑龙江工业学院副教授，博士，主要从事化学反应机理、化学提纯法、化学教育方向研究,E-mail:zwbwldzjy@126.com.

TD 849.3

A

1674-1374(2014)06-0713-03