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活化法，由生物質(zhì)制備的活性炭。這項研究強調(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3000m2/g，多孔結(jié)構(gòu)發(fā)達，化學穩(wěn)定性好，能夠通過改變官能團的數(shù)量和類型來控制表面化學。

　　將活性炭加入土壤中可作為長期的碳儲存，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。另一個優(yōu)點是，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。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，證實了活性炭中存在大孔、中孔和微孔。SEM分析強調(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

　　通過吸附實驗研究了活性炭樣品在污染土壤修復中的潛在用途。對活性炭對汽油、煤油和柴油的吸附能力進行了評估。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，從而增強了其與碳表面的相互作用。為了在實際條件下驗證結(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%，表明修復率為58.2-67.1%。現(xiàn)場結(jié)果與實驗室數(shù)據(jù)一致，表明這些活性炭在石油泄漏的吸附修復過程中是有效的。該研究強調(diào)了使用天然植物活性炭進行有效且環(huán)保的土壤修復的潛力。活性炭樣品的結(jié)構(gòu)和物理化學特性對其吸附能力起著決定性的作用。OSL 中發(fā)達的微孔和中孔結(jié)構(gòu)，通過使用BET方法測量表面積和孔體積得到證實，有助于其高吸附能力。這些特性促進了與碳氫化合物(尤其是非極性分子)的增強相互作用，因為表面積增加并且存在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)導致吸附容量較低。這些結(jié)果與文獻數(shù)據(jù)一致，其中較高的碳化程度與極性分子吸附位點的減少相關(guān)，但由于疏水相互作用而增強了非極性分子的吸附。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果支持實驗室結(jié)果，突出了這些材料在石油污染環(huán)境中土壤修復的實際適用性。

　　實驗開始時，指定了兩個地塊：第一個地塊作為受石油污染土壤的對照，而第二個地塊用于測試活性炭樣品以進行修復。每個地塊面積為4平方米(2.0米×2.0米)，每個地塊約有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)植物殘渣產(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氫化合物。

　　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67.71%。

　　在真實的受油污染土壤上進行的現(xiàn)場試驗強調(diào)了利用基于生物質(zhì)植物殘渣的熱解植物衍生活性炭的有效性。圖2b顯示了在阿特勞地區(qū)石油生產(chǎn)企業(yè)領(lǐng)土上進行現(xiàn)場工作期間，每隔一定時間(16天)用生物吸附劑清潔污染土壤時測得的含油量值。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研究成功證明了從植物殘渣中提取的活性炭作為修復石油污染土壤的有效藥劑的潛力。結(jié)果表明，活性炭對碳氫化合物表現(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)與實驗室測試和現(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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