基于响应曲面法制备钢渣–花...生态活性炭及其吸附性能研究_杜晓燕.pdf

基于响应曲面法制备钢渣花生壳基生态活性炭及其吸附性能研究杜晓燕1,2)，韩伟胜1)，孟子涵1)，于先坤3,4)，杨晓军3,4)，张浩1,2)1)安徽工业大学建筑工程学院，马鞍山2430322)冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室（安徽工业大学），马鞍山2430023)金属矿山安全与健康国家重点实验室，马鞍山2430004)中钢集团马鞍山矿山研究院股份有限公司，马鞍山243000通信作者，E-mail:摘要以钢渣超微粉和花生壳为原料制备钢渣花生壳基生态活性炭，基于响应曲面法研究微波功率、浸渍比、钢渣掺量和钢渣细度对钢渣花生壳基生态活性炭对甲醛气体吸附率的影响，并对其进行优化处理.利用 X-射线红外光谱仪、场发射扫描电镜、比表面积及孔径测定仪等对钢渣花生壳基生态活性炭进行表征分析.结果表明：钢渣花生壳基生态活性炭最优制备参数为微波功率 530W，钢渣细度 1160 目，钢渣掺量(质量分数)10.8%，浸渍比 1.25，其对甲醛气体的吸附率为 94.14%.影响钢渣花生壳基生态活性炭性能的因素次序依次为：微波功率、钢渣掺量、浸渍比、钢渣细度，其中微波功率与浸渍比、微波功率与钢渣掺量、钢渣掺量与钢渣细度均存在显著交互作用.适量钢渣改性活性炭有利于形成规则的孔结构、提高表面酸性官能团含量以及增强表面极性.关键词钢渣；花生壳；生态活性炭；甲醛；响应曲面法；优化分类号X753Preparation of steel slag peanut shell-based ecological activated carbon based onresponsesurfacemethodanditsadsorptionperformanceDU Xiao-yan1,2)，HAN Wei-sheng1)，MENG Zi-han1)，YU Xian-kun3,4)，YANG Xiao-jun3,4)，ZHANG Hao1,2)1)SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,AnhuiUniversityofTechnology,Maanshan243032,China2)KeyLaboratoryofMetallurgicalEmissionReduction&ResourcesRecycling(AnhuiUniversityofTechnology),MinistryofEducation,Maanshan243002,China3)StateKeyLaboratoryofMetalMineSafetyandHealth,Maanshan243000,China4)SinosteelMaanshanMiningResearchInstituteCo.,Ltd.,Maanshan243000,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTSteelslagpeanutshell-basedactivatedcarbonwaspreparedusingultrafinesteelslagpowderandpeanutshellsthroughmicrowaveprocessing.Theresponsesurfacemethodwasusedtoevaluatetheeffectsofmicrowavepower,impregnationratio,steelslagcontent,andsteelslagparticlesizeontherateoftheadsorptionofformaldehydegasbythepreparedactivatedcarbon.Subsequently,optimumparameterswerecalculatedforthepreparationofactivatedcarbonwiththemaximumrateofadsorptionforformaldehydegasadsorption.Finally,the activated carbon was characterized by an X-ray infrared spectrometer,field emission scanning electronmicroscope,andspecificsurfaceareaandporesizeanalyzer.Resultsrevealedthattheactivatedcarbonpreparedusing530Wof收稿日期:20220718基金项目:中国博士后科学基金资助项目（2017M612051）；金属矿山安全与健康国家重点实验室开发基金资助项目（2020-JSKSSYS-01）；安徽省博士后研究人员科研活动经费资助项目（2019B336）；冶金工程与资源综合利用安徽省重点实验室（安徽工业大学）开放基金资助项目（SKF21-03）；马鞍山市博士后研究人员科研活动经费资助项目（2020A11）工程科学学报，第45卷，第6期：979986，2023年6月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.6:979986,June2023https:/doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2022.07.18.005;http:/microwavepower,steelslagpowdercorrespondingtoameshsize1160,steelslagcontentequalto10.8%,andimpregnationratioof1.25hasthehighestformaldehydeadsorptionrate.Accordingtotheestablishedregressionmodel,thetheoreticaladsorptionrateofformaldehyde gas will be 94.96%under the above optimal preparation conditions.Thus,the prepared activated carbon had aformaldehydeadsorptionrateof94.14%,whichiswithina5%errorrangeoftheadsorptionrateestimatedbyourregressionmodelforthesameconditions.Wefurtherdemonstratedthatourresponsecurvemodelcanpredicttheadsorptionrateoftheactivatedcarbonpreparedbythisprocessefficientlyandthatitisfeasibletooptimizethepreparationofactivatedcarbonbytheresponsesurfacemethod.Furthermore,theregressionanalysisfurtherrevealsthatthedegreeofinfluenceofthefourfactorsrelatedtothismethodofpreparingactivatedcarbonontherateofformaldehydegasadsorptionisinthefollowingorder,fromlargetosmall:microwavepower,steelslagcontent,impregnationratio,andsteelslagfineness.Themutualinteractionofthefourinfluencingfactorsontheformaldehydegasadsorptionratecanbeintuitivelyobservedthroughthethree-dimensionalresponsesurfacegraph.PorestructureanalysisoftheactivatedcarbonpreparedusingtheoptimalpreparationconditionsrevealedthatithasanH3-typehysteresisloopandaflat-panelslot-likestructure.Theporesizedistributionisuneven,withpredominantmicroporesandsmall-sizedmesopores.Fourier-transforminfraredspectroscopyanalysisshowedthatafteraddingsteelslagformodification,theactivatedcarbonhadmoreacidicfunctionalgroups,whichisbeneficialtotheadsorptionofformaldehyde.Morphologicalanalysisrevealsthatthelayeredstructureoftheactivatedcarbonisclearandthataddingasmallamountofsteelslagisbeneficialtoimprovetherateofpulverization.KEYWORDSsteelslag；peanutshell；ecologicalactivatedcarbon；formaldehyde；responsesurfacemethod；optimization钢渣是炼钢工序中产生的无机固体废弃物，在化学成分上，主要由 Ca、Si、Fe、Al 和 Mn 的氧化物以及一些碱性物质组成，碱性较强；结构上，具有疏松多孔、内表面积大等特征，因此，近年围绕钢渣的碱性、多孔结构等的改性技术受到了国内外学者广泛关注，作为吸附材料在处理工业废水13、净化有毒有害气体48、生态修复810等方面已取得了一些研究成果.室内空气品质对居民身体健康有着直接的影响，随着经济发展，人们对室内装饰美化的追求也越来越多，而装修材料在加工制造过程中不可避免地添加了化学用品，诸如苯、甲醛11；其中，甲醛是室内空气典型污染物之一1213，长期接触低剂量甲醛会引起慢性呼吸道疾病，导致记忆力和智力下降，严重者更会导致鼻咽癌和白血病1415.活性炭吸附技术被广泛应用于净化室内有毒有害气体，利用金属氧化物进行改性后能有效提高净化效果，但会导致成本显著增加1617，成为活性炭降解甲醛技术发展的制约因素.研究表明78利用钢渣中含有的金属氧化物对生物质废弃材料进行改性制备生态活性炭能有效降解甲醛，其原理一是钢渣超微粉包裹于活性炭层状结构中，提高活性炭粉化率，增加吸附作用面积；二是钢渣中的 Fe、Mn 两种元素发挥协同作用可以同时实现吸附降解与催化降解.以钢渣为填料制备活性炭不仅了降低活性炭制备成本，而且实现了“以废治危”的绿色工业发展目标.本研究采用钢渣及生物质废弃材料花生壳，利用钢渣对生物质废弃材料花生壳进行改性制备钢渣花生壳基生态活性炭.研究在不同制备工艺条件下其对甲醛气体的吸附率，揭示钢渣花生壳基生态活性炭降解甲醛气体机理.1实验方法1.1材料与试剂实验用到的材料主要有钢渣微粉（马鞍山钢铁股份有限公司，化学成分见表 1）、生物质废弃材料花生壳（安徽马鞍山当地自产）、甲醛（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）、盐酸（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）、磷酸（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）和去离子水.1.2实验设备与分析仪器实验用到的设备和分析仪器主要有 FA2204B型分析天平(上海精科实业有限公司），XQM-4L型变频行星式球磨机（南京科析实验仪器研究所），PHS-3C 型 pH 计酸度计（上海仪电科学股份表表1钢渣超微粉的化学成分(质量分数)Table1Chemicalcompositionofste