活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭處理洗滌廢水回收碳酸鈣

　　本文介紹了一種處理飛灰洗滌廢水的創新方法，通過結合活性炭吸附和CO2碳酸化技術，有效去除廢水中的鈣和重金屬，同時回收高純度碳酸鈣(CaCO3)。該方法不僅解決了環境污染問題，還通過資源回收和CO2封存提供了經濟和環境雙重效益。本文澄清，“洗滌廢水”在此特指飛灰洗滌廢水，而非洗滌劑廢水，但類似技術可能適用于其他含鈣廢水。

　　飛灰是燃煤電廠或垃圾焚燒過程中產生的固體殘留物，富含氧化鈣(CaO)、二氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氯化鈉(NaCl)和氯化鉀(KCl)，但因含有重金屬、氯化物和有毒有機物而具有危險性。為去除可溶性氯化物(>90%)和硫酸鹽(30%-80%)，飛灰需用水洗滌，生成高堿性(pH約11.8)、高鹽度和高硬度的廢水。廢水中鈣化合物(如Ca(OH)2、CaSO4、CaCO3)濃度高，鈉、鉀、氯化物可達10,000mg/L，重金屬(如鉛、鋅)濃度為數至數十mg/L。

　　傳統處理方法，如化學沉淀、膜分離、離子交換和電去離子化，存在效率低、成本高或資源回收不足的問題。研究提出了一種結合活性炭吸附和CO2碳酸化的方法，通過沉淀鈣為碳酸鈣并去除重金屬，實現了污染物去除與資源回收的雙重目標。該方法還通過碳酸化過程封存CO2，助力碳捕集與利用。

　　方法

　　廢水特性

　　實驗使用來自上海某設施的飛灰洗滌廢水，初始pH約為11.8，含有高濃度鈣、鈉、鉀、氯化物及少量重金屬。

　　活性炭吸附

　　采用煤基活性炭(粒徑1.4×0.38mm)，以50wt%純度的十二烷基二甲基溴化銨(DDA)改性。改性活性炭通過10wt%DDA溶液循環12小時制備，用于吸附鉛(Pb)、鋅(Zn)等重金屬。廢水通過活性炭柱處理，每4小時收集流出液。

　　CO2碳酸化

　　碳酸化實驗在100mL廢水中進行，通過10µm孔徑曝氣器通入99.99%純度CO2。初始pH用1mol/LNaOH調整至12.0、12.5或13.0，CO2流率為30、60或100mL/min，反應時間為5、10、15、20、40、60或120分鐘。pH通過高精度儀器(±0.02)實時監測。沉淀物經0.45µm過濾、洗滌并在105°C干燥24小時。

　　分析與表征

　　化學分析：鈣、硫酸根、碳酸根等通過國家標準方法測定，重金屬(Pb、Cr、Zn、Cd、Ni、Cu)用ICP-OES分析，總有機碳(TOC)用多功能分析儀測定。

　　表征：沉淀物通過X射線衍射(XRD)、X射線熒光(XRF)、粒徑分析和掃描電子顯微鏡(SEM)分析。

　　結果

　　鈣去除效率

　　鈣去除率隨初始pH顯著變化：

　　pH11.8：10分鐘時去除率10.3%，60分鐘降至4.9%，pH降至6.7，沉淀量僅4.2g/L。

　　pH12.0：5分鐘去除率54%，20分鐘達61%，pH降至6.7，沉淀量35g/L。

　　pH12.5：5分鐘去除率90%，40分鐘達93%，鈣濃度降至820mg/L，沉淀量60g/L。

　　pH13.0：5分鐘去除率>99%，30分鐘達100%，鈣濃度<40mg/L，沉淀量73g/L，120分鐘保持穩定。

　　最佳條件為pH13.0、CO2流率30mL/min、30分鐘，鈣濃度降至28mg/L，沉淀量73g/L。

　　CO2流率影響

　　在pH13.0下，CO2流率30、60、100mL/min均將鈣濃度降至<40mg/L，沉淀量分別為73g/L、75g/L和65g/L，表明30mL/min為最優流率。

　　沉淀物特性

　　成分：XRD顯示30分鐘時主要為CaCO3(方解石)，含少量NaCl、KCl、CaSO4。XRF表明鈣含量>38wt%，鉛0.489-0.612wt%，鋅0.016-0.020wt%，其他雜質(如Fe、S、Si)含量低，Cu、Ni、Cd、Cr、Mn未檢出。

　　形貌：SEM顯示沉淀物為立方形方解石，粒徑40-100µm，中值47µm，均勻性1.13，表面積0.48m²/g。

　　重金屬去除

　　改性活性炭顯著增強了鉛和鋅的吸附，吸附床體積為原體積的4倍，流出液中鉛、鋅<0.01mg/L，Cd9.32mg/L，Ni2.50mg/L，Cu0.33mg/L，Cr0.05mg/L，TOC從52.5mg/L降至10.1mg/L。碳酸化后，沉淀物無重金屬，鈣含量38.29wt%。

　　處理后水質

　　處理后水中鈣濃度約28mg/L，鈉21,250mg/L，鉀18,920mg/L，氯化物63,530mg/L，碳酸根4,250mg/L，適合進一步回收這些資源。碳封存率約80%。

　　討論

　　技術優勢

　　高效去除鈣：在pH13.0下，鈣去除率>99%，滿足嚴格的排放標準。

　　高純度碳酸鈣：活性炭預處理確保沉淀物無重金屬，鈣含量>38wt%，粒徑和形貌適合工業應用。

　　CO2封存：約80%的CO2以碳酸鈣形式固定，助力碳中和目標。

　　資源回收：處理后水中保留的鈉、鉀、氯化物可進一步結晶回收，增加經濟效益。

　　關鍵因素

　　pH影響：高pH促進碳酸鈣沉淀，pH13.0為最佳。

　　活性炭作用：去除重金屬是確保碳酸鈣純度的關鍵步驟。

　　CO2流率：30mL/min平衡了效率和成本。

　　潛在應用

　　雖然研究針對飛灰洗滌廢水，但該方法可能適用于其他含鈣廢水，如洗滌劑廢水或電石廢水。洗滌劑廢水若含高鈣，可能通過類似碳酸化過程回收碳酸鈣，但需實驗驗證其重金屬含量和pH特性。

　　局限性與未來研究

　　成本：pH調整和活性炭改性可能增加成本，需優化工藝以降低能耗。

　　規模化：實驗室結果需在工業規模驗證。

　　其他廢水：需研究方法對洗滌劑廢水等其他廢水的適用性。

　　結論

　　活性炭吸附結合CO2碳酸化是一種可持續的飛灰洗滌廢水處理方法，可高效去除鈣和重金屬，回收高純度碳酸鈣，并封存CO2。該技術兼具環境和經濟效益，適合工業應用。未來研究應聚焦工藝優化、規模化應用及對其他廢水(如洗滌劑廢水)的適應性，以進一步推廣其應用。

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