薄層高介孔率廢紙脫墨污泥基活性炭的制備及其性能表征

戴玉鐲 吉興香 田中建，2，* 馬 浩 張鳳山 房桂干

（1.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）生物基材料與綠色造紙國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南，250353；2.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）生物工程學(xué)院，山東濟(jì)南，250353；3.山東華泰紙業(yè)股份有限公司，山東東營(yíng)，257335；4.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，江蘇南京，210042）

廢紙漿是我國(guó)造紙?jiān)现械闹匾M成。2020 年，全國(guó)紙漿總消耗量10200 萬(wàn)t，廢紙漿消耗量4763萬(wàn)t，占紙漿總消耗量的46.70%。以廢紙為原料生產(chǎn)某些紙種過(guò)程中需要進(jìn)行脫墨，在其浮選脫墨階段會(huì)產(chǎn)生大量脫墨污泥（DPS）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)1 t 脫墨廢紙漿會(huì)產(chǎn)生80～150 kg 的干脫墨污泥或160～500 kg的濕脫墨污泥[1]，因此，我國(guó)DPS 的年產(chǎn)量非常高。DPS主要由纖維素、涂料、無(wú)機(jī)填料、油墨粒子和多種金屬離子等組成[2]，成分復(fù)雜，處理難度大。目前，DPS的處理方法主要有直接焚燒法和填埋法，但均會(huì)在一定程度上造成二次污染[3]和資源浪費(fèi)。因此，DPS的無(wú)害化處理和資源化利用成為解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)DPS的資源化利用已有部分研究，如Ouadi 等人[4]將DPS 熱解，成功生成了由芳烴混合物組成的有機(jī)蒸汽，冷凝后得到熱值36～37 MJ/kg的液體燃料；Haddar等人[5]研究了?？w維和DPS對(duì)高密度聚乙烯二元復(fù)合材料及混雜復(fù)合材料熱機(jī)械性能的增強(qiáng)作用；Paz 等人[6]利用DPS 熱解制備生物炭，并將其用于重金屬污染的土壤修復(fù)，可降低土壤中的Ni 含量；程富江等人[7]以DPS 為原料，采用磷酸活化法制備脫墨污泥基活性炭；此外，用DPS制備造紙用填料、涂布顏料[8]和瀝青改性劑[9]等方面也有相關(guān)研究和工業(yè)化應(yīng)用。上述研究既能有效減輕造紙企業(yè)造成的污染，又能實(shí)現(xiàn)DPS 的資源化利用[7,10]。

活性炭作為一種多孔材料，是工業(yè)上常用的重要吸附劑之一[11]。近年來(lái)，活性炭的制備原料已經(jīng)從傳統(tǒng)的木材、煤炭等轉(zhuǎn)向稻殼[12]、果殼[13-14]、椰子殼[15]、廢紙[16]等工農(nóng)業(yè)廢棄物。作為造紙工業(yè)的固體廢棄物，DPS產(chǎn)量大，有機(jī)質(zhì)含量較高，易腐敗發(fā)臭，填埋等傳統(tǒng)處理方式會(huì)給企業(yè)帶來(lái)巨額處理費(fèi)用，增加生產(chǎn)成本，并對(duì)土壤和地下水產(chǎn)生污染。將其進(jìn)行資源化利用，制備成附加值較高的活性炭，不僅可以補(bǔ)貼企業(yè)固廢處理費(fèi)用，還能降低環(huán)境污染負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)DPS的減量化、無(wú)害化、資源化，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益的雙贏[17-19]。DPS 制備活性炭的難點(diǎn)在于其灰分含量略高，會(huì)增加活化劑用量和能耗，并改變活性炭孔結(jié)構(gòu)[20]。目前，活性炭的制備方法主要有水蒸氣法、二氧化碳法等物理活化法，磷酸法、氯化鋅法等化學(xué)活化法[21-23]，其中化學(xué)活化法被認(rèn)為是制備活性炭的最佳技術(shù)[24]。在眾多化學(xué)活化劑中，由于環(huán)境污染問(wèn)題，氯化鋅的使用量有所下降，而磷酸和氫氧化鉀逐漸成為應(yīng)用最為廣泛的活化劑[25]。其中，氫氧化鉀活化法制備的活性炭比表面積高、孔隙分布均勻、吸附性能好，常用于制備高比表面積活性炭[26-27]。

本研究對(duì)DPS的化學(xué)組成、熱解特性等理化性能進(jìn)行了全面分析。并針對(duì)DPS 灰分含量較高的問(wèn)題，采用前后球磨機(jī)械輔助-2 次脫灰-KOH 活化制備脫墨污泥基活性炭（DPS-AC），探究了KOH 濃度、固液比、炭化溫度、時(shí)間對(duì)活性炭孔結(jié)構(gòu)和吸附性能的影響，以期為DPS-AC 的制備和DPS 的資源化利用提供理論和技術(shù)支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料與試劑

原料：DPS取自山東東營(yíng)某造紙企業(yè)。

試劑：硝酸、氫氟酸、氫氧化鉀、鹽酸、碘、碘化鉀、溴化鉀、亞甲基藍(lán)等，均為分析純；0.1 mol/L硫代硫酸鈉溶液（實(shí)驗(yàn)室配制）。

1.2 DPS-AC制備方法

將自然風(fēng)干的DPS 放置在80℃去離子水中處理1 h，以洗去部分水溶性灰分物質(zhì)，得到水洗脫墨污泥（pDPS）；將pDPS 過(guò)篩，在105℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥12 h，將干燥后pDPS 粉碎成直徑為2～6 mm 的顆粒；取20 g 絕干pDPS 和不同濃度的KOH 溶液（濃度分別為2.5、3.5、4.5、5.5 和6.5 mol/L）按一定的固液比（2∶1、1∶1、1∶2、1∶3 和1∶4，質(zhì)量比）混合，室溫浸漬24 h，于105℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥6 h；將烘干后的物料取出冷卻，用FW-100 型高速萬(wàn)能粉碎機(jī)粉碎；將粉碎好的物料放于管式爐中隔絕空氣，按10℃/min 速率升溫至設(shè)定溫度（550、650、750、850 和950℃）后恒溫炭化一定時(shí)間（0、30、60、90和120 min）；將活化、炭化后產(chǎn)物先用10%的鹽酸洗滌3 次，再用80℃去離子水反復(fù)洗滌至水溶液呈中性；將洗滌干凈的物料，于105℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥6 h；將干燥后的樣品置于球磨機(jī)中，在250 r/min下，每研磨5 min 停歇5 min 為1 個(gè)循環(huán)，循環(huán)研磨18 次，得到DPS-AC。制備工藝流程如圖1所示。

圖1 DPS-AC制備流程示意圖Fig.1 Preparation process of DPS-AC

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 脫墨污泥組分的測(cè)定

灰分、有機(jī)物、固定碳和揮發(fā)分分析：按照GB/T 28731—2012《固體生物質(zhì)燃料工業(yè)分析方法》測(cè)定。

非金屬元素測(cè)定：采用元素分析儀（Elementar Unicub）測(cè)定DPS 和熱水處理后脫墨污泥（pDPS）中C、H、O、N、S 元素含量。C、H、N、S 測(cè)定條件：燃燒管溫度1150℃，還原管溫度850℃；O 測(cè)定條件：燃燒管溫度1140℃，還原管溫度850℃。

金屬元素測(cè)定：采用微波消解-電感耦合等離子質(zhì)譜法（賽默飛ICP RQ）測(cè)定DPS 和pDPS 中的金屬元素。消解環(huán)節(jié)采用硝酸、氫氟酸、過(guò)氧化氫混合酸體系，以增強(qiáng)氧化能力，消除氧化物（Si、Ca 等元素）對(duì)過(guò)渡金屬元素的干擾[28]。具體步驟是：稱(chēng)取0.2 g 風(fēng)干樣品，加少量去離子水潤(rùn)濕，并在通風(fēng)處中依次加入5 mL 硝酸、6 mL 氫氟酸、2 mL 過(guò)氧化氫。將消解罐置于微波消解儀中，按照升溫程序（見(jiàn)表1）進(jìn)行消解。消解程序結(jié)束后，冷卻取出。將消解罐置于趕酸架上，在150℃下趕酸，待液體蒸發(fā)至盡干后取出消解罐，加入適量去離子水過(guò)濾，于50 mL容量瓶中定容待測(cè)。

表1 微波消解升溫程序Table 1 Microwave digestion temperature program

1.3.2 脫墨污泥的熱穩(wěn)定性表征

熱重分析（TG）：使用TGA 熱量分析儀（TGAQ50）準(zhǔn)確測(cè)量DPS 和pDPS 熱解過(guò)程的質(zhì)量變化及變化速率，并繪制TG、DTG 曲線(xiàn)圖。測(cè)定條件：樣品添加量10 mg，N2為保護(hù)氣，流量40 mL/min，升溫速率10℃/min，熱解初始溫度25℃，終止溫度850℃。

1.3.3 DPS-AC孔特性分析和表征

微觀結(jié)構(gòu)表征：采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM，日立Regulus 8220）、透射電子顯微鏡（TEM，JEM 2100）在一定倍數(shù)下觀察DPS-AC表面形貌特征、孔道結(jié)構(gòu)等。

N2吸附脫附等溫線(xiàn)測(cè)定：采用全自動(dòng)比表面與孔隙度分析儀（美國(guó)麥克公司ASAP 2460）測(cè)定N2吸附脫附等溫線(xiàn)，計(jì)算分析DPS-AC 的BET 比表面積、總孔容及平均孔徑等。測(cè)定條件：脫氣溫度200℃，脫氣時(shí)間6 h，吸附氣體N2（-196℃）。

1.3.4 DPS-AC吸附性能測(cè)定

碘吸附量的測(cè)定：按照GB/T 12496.8—2015《木質(zhì)活性炭實(shí)驗(yàn)方法-碘吸附值的測(cè)定》測(cè)定。

亞甲基藍(lán)吸附量的測(cè)定：取50 mL 亞甲基藍(lán)溶液（500 mg/L）置于150 mL 具塞錐形瓶中，加入0.1 g DPS-AC，于25℃、250 r/min 條件下恒溫震蕩1 h。然后取出樣品過(guò)濾，將濾液稀釋一定倍數(shù)后，使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在665 nm 處測(cè)定溶液吸光度，亞甲基藍(lán)的平衡吸附量按式（1）計(jì)算。

式中，q表示活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的單位吸附量，mg/L；C0表示亞甲基藍(lán)溶液初始濃度，mg/L；Ce表示吸附后溶液濃度，mg/L；M表示加入的活性炭質(zhì)量，g；V表示亞甲基藍(lán)溶液體積，L。

2 結(jié)果與討論

2.1 DPS和pDPS基本特性分析

2.1.1 DPS和pDPS的成分分析

對(duì)DPS、pDPS 進(jìn)行組分分析和元素分析，結(jié)果見(jiàn)表2。DPS 中C、O 元素含量相對(duì)較高，主要來(lái)源于DPS中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和油墨中的有機(jī)成分[29]，幾乎不含N、S 元素；灰分含量較高，固定碳、揮發(fā)分含量相對(duì)較低。經(jīng)熱水洗滌脫灰，DPS質(zhì)量損失約25%，pDPS 中灰分含量下降，有機(jī)物、固定碳、揮發(fā)分含量均有明顯提高，其中有機(jī)物含量提高近10%，說(shuō)明熱水處理去除了DPS中的部分水溶性灰分和少量有機(jī)質(zhì)等。圖2 為不同處理?xiàng)l件下DPS和pDPS 圖。對(duì)圖2（a）和圖2（b）進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，DPS經(jīng)熱水脫灰后，顏色變淺，雜質(zhì)顆粒減少，暴露出明顯的細(xì)小纖維，其形貌與紙漿相近。

圖2 不同處理?xiàng)l件下的DPS和pDPS圖Fig.2 Images of DPS and pDPS with different trentment condition

表2 DPS和pDPS組分分析和元素分析Table 2 Content and element analysis of DPS and pDPS %

DPS 和pDPS 金屬元素含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。DPS和pDPS 中含量較高的是Na、Mg、Al 和Ca，其次是Fe、Ti 和K，還含有微量的Cu、Mn、As、Zn、Cd、Cr、Ni、Ba 等，主要來(lái)源于廢紙中的填料、助劑、涂料及油墨等[30]。由表3 可以看出，除Fe、Cu、Cr、Ba 外，pDPS 中的金屬元素含量均低于DPS 中的含量，其主要原因是熱水洗滌造成了部分金屬元素鹽流失。

表3 DPS和pDPS金屬元素含量Table 3 Content of metal elements in DPS and pDPS μg/g

2.1.2 DPS和pDPS熱穩(wěn)定性分析

圖3和圖4顯示了DPS和pDPS的熱穩(wěn)定性。從圖3 和圖4 可知，DPS（175～509℃）和pDPS（168～507℃）有機(jī)物大量分解，質(zhì)量損失較為嚴(yán)重，分別達(dá)18.00%和29.03%，但由于水洗脫灰作用，pDPS有機(jī)物含量高，質(zhì)量損失較大；DPS（509～792℃）和pDPS（507～727℃）為熱解縮合產(chǎn)物和礦物質(zhì)分解階段，DPS在此階段質(zhì)量損失較嚴(yán)重，質(zhì)量損失速率達(dá)33.63%，而pDPS 質(zhì)量損失速率為25.32%，二者的差異也是由于脫灰處理造成的。同時(shí)，脫灰處理還使pDPS基本質(zhì)量恒定溫度較DPS降低了65℃。

圖3 DPS熱重分析Fig.3 TG/DTG curves of DPS

圖4 pDPS熱重分析Fig.4 TG/DTG curves of pDPS

由上述實(shí)驗(yàn)可知，DPS中含有一定量木質(zhì)素、纖維素等有機(jī)高分子物質(zhì)，含碳量較高、熱穩(wěn)定性好，且含有Mg、Al、Ca、K、Zn 等金屬元素，這些金屬化合物可在制備活性炭過(guò)程中作為催化劑或作為硬模板有利于孔洞結(jié)構(gòu)的形成[31]。因此，與稻殼、椰殼等農(nóng)林廢棄物相比，采用DPS 制備活性炭，在原料成本、催化劑用量和環(huán)境效益上都有一定優(yōu)勢(shì)。

2.2 不同制備條件對(duì)DPS-AC吸附性能的影響

2.2.1 KOH濃度對(duì)DPS-AC吸附性能的影響

圖5 為固液比1∶2、炭化溫度650℃、炭化時(shí)間90 min 條件下KOH 濃度（2.5、3.5、4.5、5.5、6.5 mol/L）對(duì)DPS-AC 的碘和亞甲基藍(lán)吸附量的影響。由圖5 可知，碘和亞甲基藍(lán)吸附量隨KOH 濃度的增加而增加；在KOH 濃度6.5 mol/L 時(shí)，吸附效果最佳，其碘和亞甲基藍(lán)吸附量分別達(dá)589.91 mg/g、230.40 mg/g。由于前驅(qū)體具有不同的反應(yīng)活性，所以KOH的活化機(jī)理并不完全清晰。普遍認(rèn)為制備活性炭過(guò)程中，一方面原料中的碳與KOH 分解產(chǎn)生的水蒸氣反應(yīng)，形成孔隙；另一方面，原料中的碳與KOH 的分解產(chǎn)物K2O 在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成K2CO3[32]，產(chǎn)生豐富的細(xì)孔。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)KOH 濃度較低時(shí)，KOH 分解產(chǎn)物的量相對(duì)不足，造孔能力較差；隨著KOH 濃度的增加，造孔能力逐步提高，當(dāng)KOH濃度為6.5 mol/L 時(shí)，DPS-AC 獲得豐富的微、介孔，此時(shí)DPS-AC 吸附能力最強(qiáng)，碘和亞甲基藍(lán)吸附量達(dá)到最大。

圖5 KOH濃度對(duì)DPS-AC吸附性能的影響Fig.5 Effect of KOH concentration on the adsorption capacity of DPS-AC

2.2.2 固液比對(duì)DPS-AC吸附性能的影響

圖6 為KOH 濃度6.5 mol/L、炭化溫度650℃、炭化時(shí)間90 min 條件下，固液比（2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4）對(duì)DPS-AC 的碘和亞甲基藍(lán)吸附量的影響。由圖6可知，隨著固液比的減小，碘和亞甲基藍(lán)吸附量呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)；其他條件不變，固液比為1∶2 時(shí)，DPS-AC 的吸附效果最佳，其碘和亞甲基藍(lán)吸附量分別為589.91 mg/g、230.40 mg/g。當(dāng)固液比較大時(shí)，KOH 的量不足，原料中的碳未能充分參與炭化活化反應(yīng)，成孔效果不明顯；當(dāng)固液比減小為1∶2 時(shí)，DPS 中的碳與KOH 充分反應(yīng)，形成大量的微細(xì)孔，提高了對(duì)碘和亞甲基藍(lán)的吸附作用[33]；當(dāng)固液比繼續(xù)減小時(shí)，由于過(guò)多的KOH 反應(yīng)生成過(guò)量的K2O 刻蝕微孔周?chē)奶?，?dǎo)致孔結(jié)構(gòu)坍塌，使微孔變成大孔，從而降低了DPS-AC的吸附性能。

圖6 固液比對(duì)DPS-AC吸附性能的影響Fig.6 Effect of liquid-solid ratio on the adsorption capacity of DPS-AC

2.2.3 炭化溫度對(duì)DPS-AC吸附性能的影響

圖7 為KOH 濃度6.5 mol/L、固液比1∶2、炭化時(shí)間90 min 條件下，炭化溫度（550、650、750、850、950℃）對(duì)DPS-AC 的碘和亞甲基藍(lán)吸附量的影響曲線(xiàn)。由圖7 可知，550～750℃范圍內(nèi)，隨著炭化溫度的升高，碘和亞甲基藍(lán)吸附量逐漸增大，但增加幅度不同。在炭化溫度為750℃時(shí)，DPS-AC 的吸附效果均為最佳，其碘和亞甲基藍(lán)吸附量分別達(dá)657.50 mg/g 和230.69 mg/g。這主要是因?yàn)楫?dāng)溫度較低時(shí)，DPS 上只有少數(shù)碳原子能獲得足夠的能量與K2O 反應(yīng)。隨著溫度的升高，更多的碳活性點(diǎn)位可以參與K2O的反應(yīng)，造孔作用更強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，炭化溫度≥850℃時(shí)，炭化活化過(guò)程中樣品發(fā)生嚴(yán)重的燒結(jié)結(jié)塊現(xiàn)象（如圖8（a）），難以取出檢測(cè)。

圖7 炭化溫度對(duì)DPS-AC吸附性能的影響Fig.7 Effect of activation temperature on the adsorption capacity of DPS-AC

圖8 不同形態(tài)的DPS-AC圖Fig.8 Images of DPS-AC in different forms

2.2.4 炭化時(shí)間對(duì)DPS-AC吸附性能的影響

圖9 顯示了KOH 濃度6.5 mol/L、固液比1∶2、炭化溫度750℃條件下，碘和亞甲基藍(lán)吸附量隨炭化時(shí)間（0、30、60、90、120 min）的變化曲線(xiàn)。從圖9 中可以看出，隨著炭化時(shí)間的延長(zhǎng)，碘和亞甲基藍(lán)吸附量呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。當(dāng)炭化時(shí)間為90 min時(shí)，DPS-AC 吸附效果最佳，其碘和亞甲基藍(lán)吸附量分別為657.50 mg/g 和230.69 mg/g。在反應(yīng)初始階段，碳原子與大量K2O 反應(yīng)，生成大量微孔結(jié)構(gòu)使活性炭比表面積增大，并在一定時(shí)間范圍內(nèi)（0～90 min）呈現(xiàn)持續(xù)增大趨勢(shì)；當(dāng)炭化時(shí)間超過(guò)90 min時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的高溫使DPS-AC 一些孔壁被破壞，部分微孔和介孔被嚴(yán)重?zé)g，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成大孔結(jié)構(gòu)，活性炭的比表面積和孔容相應(yīng)減小，造成吸附性能下降。

圖9 炭化時(shí)間對(duì)DPS-AC吸附性能的影響Fig.9 Effect of activation time on the adsorption property of DPS-AC

以碘和亞甲基藍(lán)吸附量為主要依據(jù)，結(jié)合以上單因素實(shí)驗(yàn)確定DPS-AC 最優(yōu)制備條件為：熱水預(yù)處理和酸洗處理2 次脫灰，KOH 濃度6.5 mol/L、固液比1∶2、炭化溫度750℃、炭化時(shí)間90 min，250 r/min間歇式球磨180 min。

2.3 脫灰處理對(duì)DPS-AC孔隙結(jié)構(gòu)特性的影響

活性炭孔結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)，如比表面積和總孔容，可以更加客觀地反映其孔結(jié)構(gòu)特性。為進(jìn)一步研究脫灰程度對(duì)DPS-AC 孔結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)驗(yàn)對(duì)經(jīng)1 次脫灰和2 次脫灰的DPS-AC（除脫灰外，其他制備條件按照上述最優(yōu)條件）孔的各項(xiàng)參數(shù)和N2吸附-脫附性能進(jìn)行了比較，結(jié)果如表4和圖10、圖11所示。

觀察圖10（a），2次脫灰的DPS-AC的N2吸脫附曲線(xiàn)屬于Ⅳ型，回滯環(huán)屬于H4 型。這表明的孔徑分布以介孔為主，且伴有一定數(shù)量的微孔，孔結(jié)構(gòu)多為狹縫型結(jié)構(gòu)。從圖11（a）和表4中的計(jì)算結(jié)果看，2次脫灰的DPS-AC 介孔率達(dá)到74.9%，且其中絕大部分是2～15 nm 的介孔，平均孔徑為4.339 nm。觀察圖10（b），1次脫灰的DPS-AC 的N2吸附和脫附曲線(xiàn)在相對(duì)壓力（P/P0）為0.5 附近出現(xiàn)了交叉，且在低相對(duì)壓力區(qū)間，脫附曲線(xiàn)一直在吸附曲線(xiàn)之下，造成這一現(xiàn)象的原因是樣品比表面積太小。

圖10 不同脫灰次數(shù)的DPS-AC N2吸附-脫附曲線(xiàn)Fig.10 N2 adsorption-desorption curves of DPS-AC with different deashing times

圖11 不同脫灰次數(shù)的DPS-AC孔徑分布曲線(xiàn)Fig.11 Pore size distribution curves of DPS-AC with different deashing times

通過(guò)對(duì)表4 中不同脫灰程度的DPS-AC 孔結(jié)構(gòu)和特性參數(shù)比較，表明灰分對(duì)活性炭孔結(jié)構(gòu)有明顯的影響。經(jīng)熱水1 次脫灰處理，雖有約25%的灰分被除去，但仍有相當(dāng)一部分灰分被保留在DPS 中。這些無(wú)機(jī)填料等灰分中的部分物質(zhì)在高溫下與DPS 中的C 發(fā)生了反應(yīng)，但未反應(yīng)的物質(zhì)和/或過(guò)量的KOH會(huì)阻塞DPS-AC 的孔，從而改變其孔結(jié)構(gòu)、比表面積、孔徑和孔容等。因此，深度脫灰處理在使用灰分含量較高的原料制備活性炭過(guò)程中十分關(guān)鍵且必要。

表4 脫灰處理對(duì)活性炭的比表面積和孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響Table 4 Effects of deashing treatment on specific surface area and pore structure parameters of activated carbon

2.4 DPS-AC微觀形貌分析

圖12 為分別放大不同倍數(shù)觀察到的DPS 微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌圖。由圖12 可以明顯看到，DPS 中含有大量絮片狀或絲狀細(xì)小纖維和塊狀填料、涂料等灰分顆粒，這些細(xì)小纖維和灰分顆粒雜亂無(wú)章地堆積在一起，構(gòu)成了脫墨污泥。

圖12 不同放大倍數(shù)DPS的FE-SEM圖Fig.12 FE-SEM images of DPS with different magnifications

圖13 和圖14 分別是在最優(yōu)條件下制備的DPSAC FE-SEM 和TEM 圖。由圖13 可觀察到，經(jīng)過(guò)2 次脫灰、炭化活化和球磨后，DPS-AC 與DPS 相比較，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化：DPS中的絲絮狀纖維和塊狀灰分顆粒消失，取而代之的是DPS-AC 中具有大量孔隙和排列松散的薄片狀結(jié)構(gòu)。從圖13（c）還可以看到，層間和薄層上還分布有大量縫隙狀孔。這些結(jié)構(gòu)能提高DPS-AC 的比表面積和孔容積，從而增強(qiáng)DPS-AC的吸附能力。DPS-AC中的薄片狀結(jié)構(gòu)和薄片中的孔洞及裂隙在圖14 中也可以清楚看到。這些薄片狀結(jié)構(gòu)可能是在球磨機(jī)械作用下形成的。

圖13 不同放大倍數(shù)DPS-AC的FE-SEM圖Fig.13 FE-SEM images of DPS-AC with different magnifications

圖14 不同放大倍數(shù)DPS-AC的TEM圖Fig.14 TEM images of DPS-AC with different magnifications

3 結(jié)論

本研究對(duì)廢紙脫墨污泥（DPS）主要理化性能進(jìn)行了全面分析，采用熱水和鹽酸酸洗2次脫灰、KOH活化、球磨機(jī)研磨輔助制備了具有薄層結(jié)構(gòu)的富含介孔的脫墨污泥基活性炭（DPS-AC）。

3.1 DPS-AC制備的最佳工藝條件為：熱水預(yù)處理和酸洗處理2次脫灰，KOH濃度6.5 mol/L、固液比1∶2、炭化溫度750℃、炭化時(shí)間90 min，250 r/min 間歇式球磨180 min。

3.2 在最佳條件下制備的DPS-AC 碘吸附量高達(dá)657.50 mg/g，亞甲基藍(lán)吸附量達(dá)230.69 mg/g，BET 比表面積達(dá)595.138 m2/g，總孔容達(dá)0.646 cm3/g?？讖街饕植荚?～15 nm 之間，平均孔徑為4.339 nm，介孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)。在球磨作用下，DPS-AC 形成大量薄片型結(jié)構(gòu)，這些薄片層間松散地堆積在一起，構(gòu)成近似圓孔型和狹縫型微、介孔結(jié)構(gòu)。