活性炭吸附處理石油污染的土壤

　　本研究探討了的活性炭在修復(fù)油污染土壤中的吸附能力和現(xiàn)場應(yīng)用。采用兩階段熱解和氫氧化鉀化學(xué)活化法，由生物質(zhì)制備的活性炭。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了孔隙率和碳化程度等結(jié)構(gòu)特性在提高活性炭吸附效率方面的關(guān)鍵作用。

　　活性炭是一種用途廣泛、應(yīng)用廣泛的納米結(jié)構(gòu)材料，用于凈化和去除大氣、水和土壤中的污染物，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的比容量，并支持許多其他應(yīng)用。與其他材料相比，基于活性炭的吸附劑的優(yōu)勢在于其比表面積明顯較大，可達(dá)3000m2/g，多孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，化學(xué)穩(wěn)定性好，能夠通過改變官能團(tuán)的數(shù)量和類型來控制表面化學(xué)。

　　將活性炭加入土壤中可作為長期的碳儲(chǔ)存，延緩其以二氧化碳的形式釋放到大氣中，這對緩解氣候變化的努力做出了積極貢獻(xiàn)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，活性炭生產(chǎn)的原材料來自可再生資源和農(nóng)業(yè)工業(yè)的有機(jī)廢物，而這些往往帶來環(huán)境污染挑戰(zhàn)。在一些地區(qū)，土壤石油污染是重大的環(huán)境挑戰(zhàn)，而活性炭在這方面已顯示出良好的應(yīng)用前景。其主要競爭優(yōu)勢包括對石油產(chǎn)品的高吸附能力、對石油和石油物質(zhì)的有效降解、回收技術(shù)的成本效益和快速的回收過程。此外，改性活性炭的生產(chǎn)對環(huán)境的危害較小。

　　活性炭樣品的結(jié)構(gòu)特征

　　圖1a-d顯示了來自不同植物來源的活性炭樣品的形貌SEM圖像。圖像突出顯示了樣品表面結(jié)構(gòu)和孔隙率的明顯差異。圖1a顯示了粗糙的表面，表面具有高密度的不規(guī)則、未受干擾的顆粒。大量裂紋和裂縫的存在表明多孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)。圖1b顯示出類似的多孔形貌，具有廣泛的薄膜狀結(jié)構(gòu)和大空隙，表明活化和孔隙形成效率高。

　　圖1：活性炭結(jié)構(gòu)的SEM圖像。

　　相比之下，圖1c的表面更加均勻，可見孔隙更少，結(jié)構(gòu)破壞的跡象也更少。圓形圖案和光滑區(qū)域表明活化作用有限，與較低的微孔和中孔體積相關(guān)。這些觀察結(jié)果與BET分析結(jié)果一致，證實(shí)了活性炭中存在大孔、中孔和微孔。SEM分析強(qiáng)調(diào)了活化方法對來自不同生物質(zhì)來源的活性炭的形態(tài)特征的顯著影響。

　　活性炭對烴類吸附的研究及現(xiàn)場應(yīng)用

　　通過吸附實(shí)驗(yàn)研究了活性炭樣品在污染土壤修復(fù)中的潛在用途。對活性炭對汽油、煤油和柴油的吸附能力進(jìn)行了評估。在所有樣品中，活性炭1的吸附能力最高：汽油為9.3g/g，煤油為9.0g/g，柴油為10.1g/g。這些優(yōu)異的結(jié)果歸功于活性炭發(fā)達(dá)的微孔和中孔結(jié)構(gòu)，氮吸附/解吸等溫線就是明證。相比之下，活性炭2的吸附能力中等，石油產(chǎn)品平均為7.0g/g，而其他的吸附能力較低，范圍為4.5至5.1g/g。所有樣品中柴油的吸附量均高于汽油和煤油，這可能是由于柴油的粘度較高，從而增強(qiáng)了其與碳表面的相互作用。為了在實(shí)際條件下驗(yàn)證結(jié)果，將活性炭引入受油污染的土壤中，并在處理后8至16天內(nèi)定期采集樣品，以使用重量法估算油含量。圖2a顯示了土壤樣品中的初始和后續(xù)油含量。

　　圖2：用于現(xiàn)場油收集的各種材料(吸附劑)的特性(a)和土壤中的油含量取決于吸附劑的改性(b)。

　　初始土壤污染為79.2g/kg。經(jīng)過16天的處理，添加活性炭的土壤中的油含量下降到2.6-3.3%，表明修復(fù)率為58.2-67.1%。現(xiàn)場結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)一致，表明這些活性炭在石油泄漏的吸附修復(fù)過程中是有效的。該研究強(qiáng)調(diào)了使用天然植物活性炭進(jìn)行有效且環(huán)保的土壤修復(fù)的潛力。活性炭樣品的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)特性對其吸附能力起著決定性的作用。OSL 中發(fā)達(dá)的微孔和中孔結(jié)構(gòu)，通過使用BET方法測量表面積和孔體積得到證實(shí)，有助于其高吸附能力。這些特性促進(jìn)了與碳?xì)浠�合�?尤其是非極性分子)的增強(qiáng)相互作用，因?yàn)楸砻娣e增加并且存在π-π相互作用。相比之下，活性炭3和4的中等碳化程度和多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致吸附容量較低。這些結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)一致，其中較高的碳化程度與極性分子吸附位點(diǎn)的減少相關(guān)，但由于疏水相互作用而增強(qiáng)了非極性分子的吸附�，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果支持實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，突出了這些材料在石油污染環(huán)境中土壤修復(fù)的實(shí)際適用性。

　　實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，指定了兩個(gè)地塊：第一個(gè)地塊作為受石油污染土壤的對照，而第二個(gè)地塊用于測試活性炭樣品以進(jìn)行修復(fù)。每個(gè)地塊面積為4平方米(2.0米×2.0米)，每個(gè)地塊約有50公斤土壤。通過在空氣中兩階段熱解，用氫氧化鉀活化生物質(zhì)植物殘?jiān)�產(chǎn)生的活性炭被引入受石油污染的土壤中。施用活性炭后，土壤被適當(dāng)潤濕并通氣。處理后8至16天內(nèi)定期收集土壤樣本以評估含油量。土壤樣本中的含油量采用重量法測定，包括在索氏提取器中使用熱己烷從土壤樣本中提取碳?xì)浠�合物�?/p>

　　圖2a為污染土壤中油含量的值。土壤初始石油烴污染度為79.2g/kg或7.9wt.%。將活性炭樣品應(yīng)用于石油污染土壤后，油含量逐漸降低。第8天添加活性炭的土壤樣品油含量為5.7-6.7%，第16天為2.6-3.3%。根據(jù)土壤樣品中的油含量計(jì)算出土壤凈化度，添加吸附劑的土壤16天后的土壤凈化度為58.2-67.1%。試驗(yàn)表明，活性炭樣品對土壤表現(xiàn)出較高的凈化效果。16天后，石油污染土壤的凈化度可達(dá)67.71%。

　　在真實(shí)的受油污染土壤上進(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)強(qiáng)調(diào)了利用基于生物質(zhì)植物殘?jiān)�的熱解植物衍生活性炭的有效��。圖2b顯示了在阿特勞地區(qū)石油生產(chǎn)企業(yè)領(lǐng)土上進(jìn)行現(xiàn)場工作期間，每隔一定時(shí)間(16天)用生物吸附劑清潔污染土壤時(shí)測得的含油量值。在第16天加入未經(jīng)改性的吸附劑的土壤樣品中，吸油量為1.7-4.1g/g。根據(jù)土壤樣品中的含油量計(jì)算出土壤凈化程度，16天后加入改性吸附劑的土壤的凈化程度為3.0-4.3g/g。

　　活性炭吸附處理石油污染的土壤的這項(xiàng)研究成功證明了從植物殘?jiān)�中提取的活性炭作為修�?fù)石油污染土壤的有效藥劑的潛力。結(jié)果表明，活性炭對碳?xì)浠�合物表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附能力，這歸因于其廣泛的微孔和中孔結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)室測試和現(xiàn)場應(yīng)用一致，其中使用活性炭可顯著降低石油污染水平。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)特性(例如孔隙率和石墨化程度)在提高活性炭吸附效率方面的重要作用。

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