CN110237815A - 一种吸附型渗透性反应墙复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种吸附型渗透性反应墙复合材料及其制备方法和应用，本发明复合材料是以高比表面积和孔隙率的兰炭末为主体材料，以高粘结性的煤液化残渣作为粘合剂和释氧剂，通过压制成型和高温物理活化处理制备而成。本发明的复合材料与活性炭材料相比，具有结构强度高、经济成本低、化学稳定性高等优势，可适用于垃圾处理场、矿山堆场、固废填埋场等场合造成的高有机物含量、高重金属离子含量的污染地下水治理。

Description

一种吸附型渗透性反应墙复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于地下水修复技术领域，具体涉及一种吸附型渗透性反应墙复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
地下水资源是工业和农业生产中不可或缺的资源之一，但随着农药化肥的超标使用、污染废弃物不合理堆填以及工业废水和城市污水的不当处理，使得地下水资源遭到严重的破坏，并且由单一污染转变为混合污染，导致地下水污染情况越来越复杂，治理难度也越来越大。在众多的地下水污染治理技术中，渗透性反应墙(Permeable ReactionBarrier,PRB)技术因其高效廉价、安装简便、维护简单等优势，从而得到较多研究者的关注。此项技术已在北美和欧洲的一些国家展开了大量工程实践，均取得较好的处理效果。渗透性反应墙技术中最关键的难题在于反应介质的选择，这直接关系到污染地下水处理的效果、渗透性反应墙的使用寿命、处理成本等问题，因此，要求反应介质必须具有较高的化学稳定性、较好的结构稳定性、环境友好性、经济性等。
在渗透性反应墙反应介质中，活性炭及其改良产物对苯、酚、醌等有机污染物的去除表现出较高的活性，然而，采用活性炭作为反应介质，存在材料成本较高，结构稳定性差，易破碎等缺陷。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种吸附型渗透性反应墙复合材料及其制备方法和应用，本发明的吸附型渗透性反应墙复合材料制造成本低，强度较高，结构稳定性良好，能够提升污染地下水处理的效果和渗透性反应墙的使用寿命，降低处理成本。
本发明的采用的技术方案如下：
一种吸附型渗透性反应墙复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1，将兰炭末、煤液化残渣和释氧剂混合均匀，得到混合物A，其中，兰炭末的质量为液化残渣、释氧剂与兰炭末总质量的65％～88％，煤液化残渣的质量为液化残渣、释氧剂与兰炭末总质量的10％～30％，释氧剂的质量为液化残渣、释氧剂与兰炭末总质量的2％～5％；
S2，将混合物A压制成型，得到生坯料；
S3，将生坯料进行物理活化，制得所述吸附型渗透性反应墙复合材料。
释氧剂中，以质量份数计，包括2～4份的CaO2、1～2份的MgO2和0.5份的Fe2O4。
以质量百分数计，煤液化残渣包含：0.14％～1.15％的水分、10.42％～17.74％的灰分、32.24％～33.75％的挥发分和48.37％～56.19％的固定碳。
以质量百分数计，煤液化残渣包含：75.00％～78.59％的碳、3.28％～4.88％的氢、0.79％～0.99％的氮、1.26％～2.16％的硫和12.55％～17.83％的氧。
S2中，采用冷压成型将混合物A压制成生坯料，成型压力为3～5Mpa，单个生坯料质量在0.4～1.5g。
S3中，物理活化时，物理活化气体为二氧化碳，升温速率为10～30℃/s，物理活化终温为800～900℃，恒温时间为90～120min，气体流量为200～300mL/min，该物理活化为高温物理活化。
兰炭末和煤液化残渣的粒度为100～300目。
兰炭末和煤液化残渣的粒度为200目。
S2中，将混合物A压制成直径为5～10mm、高度为8～15mm的圆柱体。
S2中，将混合物A压制成直径为7mm、高度为10mm的圆柱体。
一种吸附型渗透性反应墙复合材料，通过本发明的上述制备方法制得。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明吸附型渗透性反应墙复合材料的制备方法以高比表面积和孔隙率的兰炭末为主体材料，以高粘结性的煤液化残渣作为粘合剂，将兰炭末、煤液化残渣和释氧剂混合均匀，再通过压制成型和物理活化处理，制备出吸附型渗透性反应墙复合材料。本发明以主要以兰炭末和煤液化残渣为原料来制备吸附型渗透性反应墙复合材料，因此成本较低。煤液化残渣中也含有一定量的金属氧化物，因此煤液化残渣同时也能够起到释氧剂作用，减少释氧剂的使用量，进一步降低了成本。由于兰炭末是一种较高比表面积和孔隙率的廉价碳材料，表面的羧基、羰基、醌基能提供不同的酸碱度，且具有阳离子交换特性，此外，经过物理活化能够实现对兰炭末的改性，改性后的兰炭末具有稳定的化学性能和较好的结构强度，因此，本发明的吸附型渗透性反应墙复合材料强度较高，结构稳定性良好，本发明中的兰炭末完全可代替现有的活性炭反应介质，作为渗透性反应墙的反应介质原料之一。
由上述本发明吸附型渗透性反应墙复合材料制备方法的有益效果可知，本发明吸附型渗透性反应墙复合材料较现有材料，具有结构强度高、经济成分低、化学稳定性高等优势，能够适用于多种地下水污染场合的治理，包含但不限于垃圾处理场、矿山堆场、固废填埋场造成的高有机物含量、高重金属离子含量的污染地下水治理。
本发明吸附型渗透性反应墙复合材料用于治理垃圾处理场、矿山堆场和/或固废填埋场造成的有机物以及重金属离子的污染地下水时，COD、总氮、氨氮、镍、铅和多环芳烃的去除率分别为60.2％～62.4％、61.7％～74.8％、84.7％～90.1％、98.2％～99.8％，99.1～99.9和98.5％～99.8，因此本发明吸附型渗透性反应墙复合材料污水处理效果好。
附图说明
图1为本发明压制成型的吸附型渗透性反应墙复合材料(压制成圆柱体，圆柱体的直径为7mm，高为10mm)。
具体实施方式
以下实施例对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。
本发明吸附型渗透性反应墙复合材料的制备方法包括以下步骤：
步骤1，将煤液化残渣和释氧剂依次加入装有兰炭末的容器中，并混合均匀，得到混合物A；混合物A中，以质量百分数计，煤液化残渣含量为10％～30％，释氧剂含量为2％～5％，兰炭末含量为65％～88％，煤液化残渣的粒度为100～300目，兰炭末的粒度为100～300目；释氧剂中以质量份数计，其组分包括2～4份的CaO2、1～2份的MgO2和0.5份的Fe2O4；
步骤2，将步骤1中所制得的混合物A通过模具在3～5MPa的压力下压制成若干个直径为5～10mm、高度为8～15mm的圆柱体；
步骤3，将步骤2中压制成的圆柱体置于管式炉内，使用二氧化碳活化气氛进行物理活化，进行高温物理活化时，设置升温速率为10～30℃/s，物理活化终温为800～900℃，恒温时间为90～120min，气体流量其200～300mL/min，待冷却至室温，即制得渗透性反应墙复合材料。
本发明采用的粘合剂为煤液化残渣，其主要成分如表1，残渣中的金属氧化物也起到释氧剂作用。
表1
本发明的复合材料与活性炭材料相比，具有结构强度高、经济成本低、化学稳定性高等优势，可适用于垃圾处理场、矿山堆场、固废填埋场等场合造成的高有机物含量、高重金属离子含量的污染地下水治理。
实施例1
先将兰炭末和煤液化残渣粉碎至200目备用，再称取2份CaO2、1份的MgO2和0.5份的Fe2O4，混合均匀，制成释氧剂备用。分别称取10g的煤液化残渣(200目)和2g的释氧剂，依次加入装有88g的兰炭末(200目)的烧杯中，混合均匀。将混合物在5MPa压力下冷压成直径为7mm、高度为10mm的圆柱体，每个圆柱体质量为0.6g。将圆柱体至于管式炉内，设置升温速率20℃/s，物理活化终温900℃，恒温时间120min，CO2气体流量300mL/min，制得本发明所述的吸附型渗透性反应墙复合材料。所制的圆柱状复合材料的抗压强度为4.25MPa，碘吸附值为524mg/g。
实施例2
先将兰炭末和煤液化残渣粉碎至200目备用，再称取2份CaO2、1份的MgO2和0.5份的Fe2O4，混合均匀，制成释氧剂备用。分别称取20g的煤液化残渣(200目)和4g的释氧剂，依次加入装有76g的兰炭末(200目)的烧杯中，混合均匀。将混合物在5MPa压力下冷压成直径为7mm、高度为10mm的圆柱体，每个圆柱体质量为0.6g。将圆柱体至于管式炉内，设置升温速率20℃/s，物理活化终温900℃，恒温时间120min，CO2气体流量300mL/min，制的本发明所述的吸附型渗透性反应墙复合材料。所制的圆柱状复合材料的抗压强度为5.51MPa，碘吸附值为467mg/g。
实施例3
先将兰炭末和煤液化残渣粉碎至200目备用，再称取2份CaO2、1份的MgO2和0.5份的Fe2O4，混合均匀，制成释氧剂备用。分别称取30g的煤液化残渣(200目)和5g的释氧剂，依次加入装有65g的兰炭末(200目)的烧杯中，混合均匀。将混合物在5MPa压力下冷压成直径为7mm、高度为10mm的圆柱体，每个圆柱体质量为0.6g。将圆柱体至于管式炉内，设置升温速率20℃/s，物理活化终温900℃，恒温时间120min，CO2气体流量300mL/min，制的本发明所述的吸附型渗透性反应墙复合材料。所制的圆柱状复合材料的抗压强度为6.24MPa，碘吸附值为318mg/g。
实施例4
先将兰炭末和煤液化残渣粉碎至100目备用，再称取2份CaO2、1份的MgO2和0.5份的Fe2O4，混合均匀，制成释氧剂备用。分别称取20g的煤液化残渣(100目)和4g的释氧剂，依次加入装有76g的兰炭末(100目)的烧杯中，混合均匀。将混合物在5MPa压力下冷压成直径为7mm、高度为10mm的圆柱体，每个圆柱体质量为0.6g。将圆柱体至于管式炉内，设置升温速率20℃/s，物理活化终温900℃，恒温时间120min，CO2气体流量300mL/min，制的本发明所述的吸附型渗透性反应墙复合材料。所制的圆柱状复合材料的抗压强度为5.12MPa，碘吸附值为427mg/g。
实施例5
先将兰炭末和煤液化残渣粉碎至300目备用，再称取2份CaO2、1份的MgO2和0.5份的Fe2O4，混合均匀，制成释氧剂备用。分别称取20g的煤液化残渣(300目)和4g的释氧剂，依次加入装有76g的兰炭末(300目)的烧杯中，混合均匀。将混合物在5MPa压力下冷压成直径为7mm、高度为10mm的圆柱体，每个圆柱体质量为0.6g。将圆柱体至于管式炉内，设置升温速率20℃/s，物理活化终温900℃，恒温时间120min，CO2气体流量300mL/min，制的本发明所述的吸附型渗透性反应墙复合材料。所制的圆柱状复合材料的抗压强度为5.33MPa，碘吸附值为455mg/g。
实施例6
先将兰炭末和煤液化残渣粉碎至200目备用，再称取2份CaO2、1份的MgO2和0.5份的Fe2O4，混合均匀，制成释氧剂备用。分别称取20g的煤液化残渣(200目)和4g的释氧剂，依次加入装有76g的兰炭末(200目)的烧杯中，混合均匀。将混合物在5MPa压力下冷压成直径为7mm、高度为10mm的圆柱体，每个圆柱体质量为0.6g。将圆柱体至于管式炉内，设置升温速率10℃/s，物理活化终温800℃，恒温时间90min，CO2气体流量200mL/min，制的本发明所述的吸附型渗透性反应墙复合材料。所制的圆柱状复合材料的抗压强度为5.21MPa，碘吸附值为388mg/g。
实施例7
先将兰炭末和煤液化残渣粉碎至200目备用，再称取2份CaO2、1份的MgO2和0.5份的Fe2O4，混合均匀，制成释氧剂备用。分别称取20g的煤液化残渣(200目)和4g的释氧剂，依次加入装有76g的兰炭末(200目)的烧杯中，混合均匀。将混合物在5MPa压力下冷压成直径为7mm、高度为10mm的圆柱体，每个圆柱体质量为0.6g。将圆柱体至于管式炉内，设置升温速率30℃/s，物理活化终温900℃，恒温时间120min，CO2气体流量300mL/min，制的本发明所述的吸附型渗透性反应墙复合材料。所制的圆柱状复合材料的抗压强度为5.34MPa，碘吸附值为448mg/g。
实施例1～7中所制备的吸附型渗透性反应墙复合材料对垃圾场渗液的处理效率见表2：
表2
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替代，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其他实施例的全部或一部分来使用。

Claims (10)

1.一种吸附型渗透性反应墙复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，将兰炭末、煤液化残渣和释氧剂混合均匀，得到混合物A，其中，兰炭末的质量为液化残渣、释氧剂与兰炭末总质量的65％～88％，煤液化残渣的质量为液化残渣、释氧剂与兰炭末总质量的10％～30％，释氧剂的质量为液化残渣、释氧剂与兰炭末总质量的2％～5％；
S2，将混合物A压制成型，得到生坯料；
S3，将生坯料进行物理活化，制得所述吸附型渗透性反应墙复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种吸附型渗透性反应墙复合材料的制备方法，其特征在于，释氧剂中，以质量份数计，包括2～4份的CaO2、1～2份的MgO2和0.5份的Fe2O4。
3.根据权利要求1所述的一种吸附型渗透性反应墙复合材料的制备方法，其特征在于，以质量百分数计，煤液化残渣包含：0.14％～1.15％的水分、10.42％～17.74％的灰分、32.24％～33.75％的挥发分和48.37％～56.19％的固定碳。
4.根据权利要求1所述的一种吸附型渗透性反应墙复合材料的制备方法，其特征在于，以质量百分数计，煤液化残渣包含：75.00％～78.59％的碳、3.28％～4.88％的氢、0.79％～0.99％的氮、1.26％～2.16％的硫和12.55％～17.83％的氧。
5.根据权利要求1所述的一种吸附型渗透性反应墙复合材料的制备方法，其特征在于，S2中，采用冷压成型将混合物A压制成生坯料，成型压力为3～5Mpa，单个生坯料质量在0.4～1.5g。
6.根据权利要求1所述的一种吸附型渗透性反应墙复合材料的制备方法，其特征在于，S3中，物理活化时，物理活化气体为二氧化碳，升温速率为10～30℃/s，物理活化终温为800～900℃，恒温时间为90～120min，气体流量为200～300mL/min。
7.根据权利要求1所述的一种吸附型渗透性反应墙复合材料的制备方法，其特征在于，兰炭末和煤液化残渣的粒度为100～300目。
8.根据权利要求1所述的一种吸附型渗透性反应墙复合材料的制备方法，其特征在于，S2中，将混合物A压制成直径为5～10mm、高度为8～15mm的圆柱体。
9.一种吸附型渗透性反应墙复合材料，其特征在于，通过权利要求1-8任意一项所述的制备方法制得。
10.权利要求9所述吸附型渗透性反应墙复合材料的应用，其特征在于，所述吸附型渗透性反应墙复合材料用于治理垃圾处理场、矿山堆场和/或固废填埋场造成的有机物以及重金属离子的污染地下水。
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