特殊钢渣超微粉改性废弃核桃壳制备钢渣基生物质活性炭及其吸收氯气的性能

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 特殊钢渣超微粉改性废弃核桃壳制备钢渣基生物质活性炭及其吸收氯气的性能 孙大为邓军 Chlorine gas absorption performance of steel-slag-based biomass-activated carbon prepared via modified discarded walnut shell SUN Da-wei,DENG Jun 引用本文： 孙大为，邓军.特殊钢渣超微粉改性废弃核桃壳制备钢渣基生物质活性炭及其吸收氯气的性能.工程科学学报，2021， 437):946-951.doi:10.13374.issn2095-9389.2020.08.04.004 SUN Da-wei,DENG Jun.Chlorine gas absorption performance of steel-slag-based biomass-activated carbon prepared via modified discarded walnut shell[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(7):946-951.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.04.004 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.08.04.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 钢渣改性生物质废弃材料制备生态活性炭及其降解甲醛性能 Preparation of ecological activated carbon based on steel slag-modified biomass waste material and its formaldehyde degradation performance 工程科学学报.2020.42(2：172htps:doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.02.03.001 特殊钢钢渣用作橡胶功能填料及其安全性分析 Safety analysis of specialty-steel slag used as rubber functional filler 工程科学学报.2020,42(5：628 https:/loi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.07.09.001 改性多孔钢渣橡胶复合材料的制备及其性能 Preparation of modified porous steel slag/rubber composite materials and its properties 工程科学学报.2019,41(1：88 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.01.009 改性兰炭烟气$0，吸附材料的制备及其再生性能 Preparation and regeneration performance of modified semi-carbon for flue gas SO,adsorbent 工程科学学报.2021,43(2：223htps:/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.02.21.001 变压吸附空分用椰壳基炭分子筛的制备 Preparation of coconut shell-based carbon molecular sieves for air separation by pressure swing adsorption 工程科学学报.2017,393)：443 https:/oi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.03.017 生物质多孔碳基复合相变材料制备及性能 Preparation and properties of biomass porous carbon composite phase change materials 工程科学学报.2020,42(1)：113 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.08.06.002

特殊钢渣超微粉改性废弃核桃壳制备钢渣基生物质活性炭及其吸收氯气的性能 孙大为 邓军 Chlorine gas absorption performance of steel-slag-based biomass-activated carbon prepared via modified discarded walnut shell SUN Da-wei, DENG Jun 引用本文: 孙大为, 邓军. 特殊钢渣超微粉改性废弃核桃壳制备钢渣基生物质活性炭及其吸收氯气的性能[J]. 工程科学学报, 2021, 43(7): 946-951. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.04.004 SUN Da-wei, DENG Jun. Chlorine gas absorption performance of steel-slag-based biomass-activated carbon prepared via modified discarded walnut shell[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(7): 946-951. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.04.004 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.04.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 钢渣改性生物质废弃材料制备生态活性炭及其降解甲醛性能 Preparation of ecological activated carbon based on steel slag-modified biomass waste material and its formaldehyde degradation performance 工程科学学报. 2020, 42(2): 172 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.03.001 特殊钢钢渣用作橡胶功能填料及其安全性分析 Safety analysis of specialty-steel slag used as rubber functional filler 工程科学学报. 2020, 42(5): 628 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.09.001 改性多孔钢渣/橡胶复合材料的制备及其性能 Preparation of modified porous steel slag/rubber composite materials and its properties 工程科学学报. 2019, 41(1): 88 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.009 改性兰炭烟气SO2吸附材料的制备及其再生性能 Preparation and regeneration performance of modified semi-carbon for flue gas SO2 adsorbent 工程科学学报. 2021, 43(2): 223 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.21.001 变压吸附空分用椰壳基炭分子筛的制备 Preparation of coconut shell-based carbon molecular sieves for air separation by pressure swing adsorption 工程科学学报. 2017, 39(3): 443 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.017 生物质多孔碳基复合相变材料制备及性能 Preparation and properties of biomass porous carbon composite phase change materials 工程科学学报. 2020, 42(1): 113 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.06.002

工程科学学报.第43卷.第7期：946-951.2021年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.7:946-951,July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.04.004;http://cje.ustb.edu.cn 特殊钢渣超微粉改性废弃核桃壳制备钢渣基生物质活 性炭及其吸收氯气的性能 孙大为2,3)，邓军，)四 1)西安科技大学安全科学与工程学院，西安7100542)西安高新技术产业开发区管理委员会，西安7100653)陕西省煤火防治重点实验 室.西安710054 ☒通信作者，E-mail:dengj518@xust.edu.cn 摘要以特殊钢渣超微粉与废弃核桃壳为研究对象，利用特殊钢渣超微粉的化学成分对废弃核桃壳进行改性处理制备钢 渣基生物质活性炭.研究废弃核桃壳超微粉与特殊钢渣超微粉的质量比、特殊钢渣超微粉细度和吸附环境温度对钢渣基生 物质活性炭吸收氯气性能的影响.结果表明：废弃核桃壳超微粉与特殊钢渣超微粉的质量比为100：6，特殊钢渣超微粉的细 度为600目，吸附环境温度为30℃时钢渣基生物质活性炭吸收氯气性能较好.特殊钢渣超微粉中FO3具有磁性有利于氯 气在钢渣基生物质活性炭表面形成富集，提高其吸附能力，CuO和MO具有催化性可以协助促进钢渣基生物质活性炭的吸 附能力，特殊钢渣超微粉细度过大，会造成小粒径颗粒团聚，从而影响钢渣基生物质活性炭对氯气的吸附能力进一步提高； 在特殊钢渣超微粉粒径较小时，均匀性较好的特殊钢渣超微粉对提高钢渣基生物质活性炭吸附氯气较小.较高的吸附环境 温度可能导致钢渣基生物质活性炭对氯气出现解析现象：同时钢渣基生物质活性炭表面没有出现特殊钢渣超微粉团聚与沉 积的现象，具有层状结构特征，为吸附氯气提供了空间 关键词特殊钢渣超微粉：废弃核桃壳：生物质活性炭：氯气：治金固废 分类号X753 Chlorine gas absorption performance of steel-slag-based biomass-activated carbon prepared via modified discarded walnut shell SUN Da-wei2,DENG Jun 1)School of Safety Science and Engineering.Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China 2)The Administrative Committee of Xi'an Hi-tech Industries Development Zone,Xi'an 710065,China 3)Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control of Coal Fire,Xi'an 710054,China Corresponding author,E-mail:dengj518@xust.edu.cn ABSTRACT Discarded walnut shells were modified by the chemical composition of special steel slag ultrafine powder to obtain steel- slag-based biomass-activated carbon.The influences of the mass ratio of discarded walnut shell ultrafine powder and special steel slag ultrafine powder,the fineness of special steel slag ultrafine powder,and adsorption ambient temperature on the absorbed chlorine gas performance of steel-slag-based biomass-activated carbon were studied.Results show good chlorine gas absorption performance when the mass ratio of discarded walnut shell ultrafine powder and special steel slag ultrafine powder is 100:6,the fineness of special steel slag ultrafine powder is 600 mesh,and adsorption ambient temperature is 30 C.The magnetic property of Fe2O in special steel slag ultrafine powder is conducive to the formation and enrichment of chlorine gas on the surface of steel-slag-based biomass-activated 收稿日期：2020-08-04 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51774232)：国家重点研发计划资助项目(2018YFC0807900)

特殊钢渣超微粉改性废弃核桃壳制备钢渣基生物质活 性炭及其吸收氯气的性能 孙大为1,2,3)，邓    军1,3) 苣 1) 西安科技大学安全科学与工程学院，西安 710054    2) 西安高新技术产业开发区管理委员会，西安 710065    3) 陕西省煤火防治重点实验 室，西安 710054 苣通信作者，E-mail: dengj518@xust.edu.cn 摘    要    以特殊钢渣超微粉与废弃核桃壳为研究对象，利用特殊钢渣超微粉的化学成分对废弃核桃壳进行改性处理制备钢 渣基生物质活性炭. 研究废弃核桃壳超微粉与特殊钢渣超微粉的质量比、特殊钢渣超微粉细度和吸附环境温度对钢渣基生 物质活性炭吸收氯气性能的影响. 结果表明：废弃核桃壳超微粉与特殊钢渣超微粉的质量比为 100∶6，特殊钢渣超微粉的细 度为 600 目，吸附环境温度为 30 ℃ 时钢渣基生物质活性炭吸收氯气性能较好. 特殊钢渣超微粉中 Fe2O3 具有磁性有利于氯 气在钢渣基生物质活性炭表面形成富集，提高其吸附能力，CuO 和 MnO 具有催化性可以协助促进钢渣基生物质活性炭的吸 附能力. 特殊钢渣超微粉细度过大，会造成小粒径颗粒团聚，从而影响钢渣基生物质活性炭对氯气的吸附能力进一步提高； 在特殊钢渣超微粉粒径较小时，均匀性较好的特殊钢渣超微粉对提高钢渣基生物质活性炭吸附氯气较小. 较高的吸附环境 温度可能导致钢渣基生物质活性炭对氯气出现解析现象；同时钢渣基生物质活性炭表面没有出现特殊钢渣超微粉团聚与沉 积的现象，具有层状结构特征，为吸附氯气提供了空间. 关键词    特殊钢渣超微粉；废弃核桃壳；生物质活性炭；氯气；冶金固废 分类号    X753 Chlorine  gas  absorption  performance  of  steel-slag-based  biomass-activated  carbon prepared via modified discarded walnut shell SUN Da-wei1,2,3) ，DENG Jun1,3) 苣 1) School of Safety Science and Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China 2) The Administrative Committee of Xi’an Hi-tech Industries Development Zone, Xi’an 710065, China 3) Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control of Coal Fire, Xi’an 710054, China 苣 Corresponding author, E-mail: dengj518@xust.edu.cn ABSTRACT    Discarded walnut shells were modified by the chemical composition of special steel slag ultrafine powder to obtain steel￾slag-based biomass-activated carbon. The influences of the mass ratio of discarded walnut shell ultrafine powder and special steel slag ultrafine powder, the fineness of special steel slag ultrafine powder, and adsorption ambient temperature on the absorbed chlorine gas performance of steel-slag-based biomass-activated carbon were studied. Results show good chlorine gas absorption performance when the mass ratio of discarded walnut shell ultrafine powder and special steel slag ultrafine powder is 100∶6, the fineness of special steel slag ultrafine powder is 600 mesh, and adsorption ambient temperature is 30 ℃. The magnetic property of Fe2O3 in special steel slag ultrafine  powder  is  conducive  to  the  formation  and  enrichment  of  chlorine  gas  on  the  surface  of  steel-slag-based  biomass-activated 收稿日期: 2020−08−04 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51774232）；国家重点研发计划资助项目（2018YFC0807900） 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期：946−951，2021 年 7 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 7: 946−951, July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.04.004; http://cje.ustb.edu.cn

孙大为等：特殊钢渣超微粉改性废弃核桃壳制备钢渣基生物质活性炭及其吸收氯气的性能 947. carbon,improving its absorption performance.Catalytic performance of CuO and MnO helps promote the absorbing performance of steel-slag-based biomass-activated carbon.When the fineness of special steel slag ultrafine powder is excessively large,agglomeration of small particle size occurs and affects the adsorption capacity of steel-slag-based biomass-activated carbon to chlorine gas.When the particle size of special steel slag ultrafine powder is small,the special steel slag ultrafine powder with good uniformity is less effective in improving the adsorption of chlorine on the steel-slag-based biomass-activated carbon.The higher adsorption ambient temperature may lead to the analytical phenomenon of chlorine gas from steel-slag-based biomass-activated carbon.Moreover,no superfine agglomeration and deposition of special steel slag ultrafine powder on the surface of steel-slag-based biomass-activated carbon are observed.The obtained carbon exhibits the layered structure characteristics and provides space for chlorine gas adsorption. KEY WORDS special steel slag ultrafine powder;discarded walnut shell;biomass activated carbon;chlorine gas;metallurgical solid waste 氯气是一种剧毒气体，具有强的氧化性及腐 仪(BET)、激光粒度仪(LPSA)和扫描电子显微镜 蚀性山，其沸点极低，常温下为气态，虽然自身不燃 (SEM)对其进行测试与分析，以揭示钢渣基生物 烧，但可助燃，在日光下与易燃气体混合时会发生 质活性炭吸收氯气的作用机理，实现“以废治危” 燃烧爆炸.氯气泄漏后通常会形成毒气云团，再在 的目的 空气中向周围传播，使地面、水源和环境受染-)， 1实验方法 因此在城区尤其是大城市中，容易出现强气流，这 就容易使毒气云团中的有毒气体渗透到庭院、楼 1.1原材料 宇、地下室等，会给居民带来直接伤害，所以氯气 特殊钢渣，中国宝武钢铁集团有限公司：废弃 泄漏事故在城市中的危害性和持久性要远超开旷 核桃壳，陕西省当地自产：氯气，其纯度99.0%，滨 地域6由于氯气的以上化学性质，当氯气泄漏 化集团股份有限公司；磷酸，其质量分数≥85.0%， 后需要立即进行应急处置，同时日常也要加强对 国药集团化学试剂有限公司：盐酸，其质量分数 含氯尾气的及时回收和净化处理，这已经成为氯 36.0%~38.0%,国药集团化学试剂有限公司；无水 气安全生产和使用的焦点问题 乙醇，其质量分数≥99.5%，国药集团化学试剂有限 活性炭是一种具有发达多孔结构与丰富比表 公司：实验用水均为去离子水 面积的碳质材料，其被大量用于吸附有害气体) 1.2材料制备 然而由于活性炭普遍采用自然资源（如：木材、竹 首先将废弃核桃壳洗净且干燥后，利用气流 子等)进行制备，导致成本高且不利于生态环境的 磨将其粉磨至600目（筛余99.5%）的废弃核桃壳 可持续发展圆根据相关文献可知，利用生物质废 超微粉；将特殊钢渣通过气流磨粉磨至不同细度， 弃材料制备活性炭，已经成为研究热点且取得相 即400~800目（筛余99.0%）的特殊钢渣超微粉 关研究成果？山，利用金属氧化物对活性炭进行改 其次将废弃核桃壳超微粉与磷酸按质量比1：3进 性，可以提高活性炭吸附有害气体的性能，但是其 行混合后，利用高速混合机将其均匀搅拌，获得废 制备成本增加2-.特殊钢钢渣是冶金工业中经 弃核桃壳超微粉溶液；将不同细度的特殊钢渣超 过金属提取工艺预处理后残留的含有少量铬、铅 微粉与去离子水按质量比1：10进行混合且滴加 等重金属的尾渣，属于危险冶金固体废弃物5-刀 盐酸调节DH值至6.0后，利用高速混合机将其均 如果利用钢渣中含有的化学成分对废弃核桃壳进 匀搅拌，获得特殊钢渣超微粉溶液.然后将废弃核 行改性处理，可以解决生产活性炭、改性活性炭成 桃壳超微粉溶液与特殊钢渣超微粉溶液混合且加 本高、环境破坏大的问题 入5倍混合液体积的无水乙醇后，利用高速混合 本研究采用特殊钢渣超微粉与废弃核桃壳进 机将其均匀搅拌，获得钢渣基生物质活性炭前躯体 行复合，利用钢渣中含有的化学成分对废弃核桃 最后利用真空压强-0.08MPa和烘干温度80℃的 壳进行改性处理制备钢渣基生物质活性炭.研究 真空干燥箱对钢渣基活性炭前驱体活化6h后，在 废弃核桃壳超微粉与特殊钢渣超微粉的质量比、 氮气气氛保护下利用焙烧温度400℃的实验炉焙 特殊钢渣超微粉细度和吸附环境温度对钢渣基生 烧5h且冷却到室温，获得钢渣基生物质活性炭 物质活性炭吸收氯气性能的影响，并且利用X射 13性能测试与表征 线荧光光谱仪(XRF)、全自动比表面和孔隙分析 利用氯气专用压力一组成等温吸附装置测试

carbon,  improving  its  absorption  performance.  Catalytic  performance  of  CuO  and  MnO  helps  promote  the  absorbing  performance  of steel-slag-based biomass-activated carbon. When the fineness of special steel slag ultrafine powder is excessively large, agglomeration of small  particle  size  occurs  and  affects  the  adsorption  capacity  of  steel-slag-based  biomass-activated  carbon  to  chlorine  gas.  When  the particle size of special steel slag ultrafine powder is small, the special steel slag ultrafine powder with good uniformity is less effective in improving the adsorption of chlorine on the steel-slag-based biomass-activated carbon. The higher adsorption ambient temperature may lead  to  the  analytical  phenomenon  of  chlorine  gas  from  steel-slag-based  biomass-activated  carbon.  Moreover,  no  superfine agglomeration  and  deposition  of  special  steel  slag  ultrafine  powder  on  the  surface  of  steel-slag-based  biomass-activated  carbon  are observed. The obtained carbon exhibits the layered structure characteristics and provides space for chlorine gas adsorption. KEY WORDS    special steel slag ultrafine powder；discarded walnut shell；biomass activated carbon；chlorine gas；metallurgical solid waste 氯气是一种剧毒气体，具有强的氧化性及腐 蚀性[1] ，其沸点极低,常温下为气态，虽然自身不燃 烧,但可助燃，在日光下与易燃气体混合时会发生 燃烧爆炸. 氯气泄漏后通常会形成毒气云团，再在 空气中向周围传播，使地面、水源和环境受染[2−3] ， 因此在城区尤其是大城市中，容易出现强气流，这 就容易使毒气云团中的有毒气体渗透到庭院、楼 宇、地下室等，会给居民带来直接伤害，所以氯气 泄漏事故在城市中的危害性和持久性要远超开旷 地域[4−6] . 由于氯气的以上化学性质，当氯气泄漏 后需要立即进行应急处置，同时日常也要加强对 含氯尾气的及时回收和净化处理，这已经成为氯 气安全生产和使用的焦点问题. 活性炭是一种具有发达多孔结构与丰富比表 面积的碳质材料，其被大量用于吸附有害气体[7] . 然而由于活性炭普遍采用自然资源（如：木材、竹 子等）进行制备，导致成本高且不利于生态环境的 可持续发展[8] . 根据相关文献可知，利用生物质废 弃材料制备活性炭，已经成为研究热点且取得相 关研究成果[9−11] ；利用金属氧化物对活性炭进行改 性，可以提高活性炭吸附有害气体的性能，但是其 制备成本增加[12−14] . 特殊钢钢渣是冶金工业中经 过金属提取工艺预处理后残留的含有少量铬、铅 等重金属的尾渣，属于危险冶金固体废弃物[15−17] . 如果利用钢渣中含有的化学成分对废弃核桃壳进 行改性处理，可以解决生产活性炭、改性活性炭成 本高、环境破坏大的问题. 本研究采用特殊钢渣超微粉与废弃核桃壳进 行复合，利用钢渣中含有的化学成分对废弃核桃 壳进行改性处理制备钢渣基生物质活性炭. 研究 废弃核桃壳超微粉与特殊钢渣超微粉的质量比、 特殊钢渣超微粉细度和吸附环境温度对钢渣基生 物质活性炭吸收氯气性能的影响，并且利用 X 射 线荧光光谱仪（XRF）、全自动比表面和孔隙分析 仪（BET）、激光粒度仪（LPSA）和扫描电子显微镜 （SEM）对其进行测试与分析，以揭示钢渣基生物 质活性炭吸收氯气的作用机理，实现“以废治危” 的目的. 1    实验方法 1.1    原材料 特殊钢渣，中国宝武钢铁集团有限公司；废弃 核桃壳，陕西省当地自产；氯气，其纯度 99.0%，滨 化集团股份有限公司；磷酸，其质量分数≥85.0%， 国药集团化学试剂有限公司；盐酸，其质量分数 36.0%～38.0%，国药集团化学试剂有限公司；无水 乙醇，其质量分数≥99.5%，国药集团化学试剂有限 公司；实验用水均为去离子水. 1.2    材料制备 首先将废弃核桃壳洗净且干燥后，利用气流 磨将其粉磨至 600 目（筛余 99.5%）的废弃核桃壳 超微粉；将特殊钢渣通过气流磨粉磨至不同细度， 即 400～800 目（筛余 99.0%）的特殊钢渣超微粉. 其次将废弃核桃壳超微粉与磷酸按质量比 1∶3 进 行混合后，利用高速混合机将其均匀搅拌，获得废 弃核桃壳超微粉溶液；将不同细度的特殊钢渣超 微粉与去离子水按质量比 1∶10 进行混合且滴加 盐酸调节 pH 值至 6.0 后，利用高速混合机将其均 匀搅拌，获得特殊钢渣超微粉溶液. 然后将废弃核 桃壳超微粉溶液与特殊钢渣超微粉溶液混合且加 入 5 倍混合液体积的无水乙醇后，利用高速混合 机将其均匀搅拌，获得钢渣基生物质活性炭前躯体. 最后利用真空压强‒0.08 MPa 和烘干温度 80 ℃ 的 真空干燥箱对钢渣基活性炭前躯体活化 6 h 后，在 氮气气氛保护下利用焙烧温度 400 ℃ 的实验炉焙 烧 5 h 且冷却到室温，获得钢渣基生物质活性炭. 1.3    性能测试与表征 利用氯气专用压力–组成等温吸附装置测试 孙大为等： 特殊钢渣超微粉改性废弃核桃壳制备钢渣基生物质活性炭及其吸收氯气的性能 · 947 ·

948 工程科学学报，第43卷，第7期 钢渣基活性炭吸收氯气的性能；采用美国赛默飞 表2特殊钢渣超微粉的化学成分（质量分数） 世尔科技公司ARLAdvant'X IntellipowerTW3600 Table 2 Chemical composition of special steel slag ultrafine powder % 型扫描型X-射线荧光光谱仪测试特殊钢渣超微粉 CaO SiO Al2O;MgO Fe2O:Cr2O;PbO P2Os CuO MnO Other 的化学成分；采用美国Micromeritics Instrument 53.0523.618.337.521.921.040.790.430.410.402.50 Corporation公司TriStarlI3020型全自动比表面 和孔隙分析仪测试钢渣基生物质活性炭的孔 从表1还可以看出，随特殊钢渣超微粉掺量的 结构；采用珠海欧美克仪器有限公司LS-POP(9) 增加，钢渣基生物质活性炭对氯气的吸附能力呈 型激光粒度仪测试特殊钢渣超微粉的粒径分布； 现先增加后降低的趋势，其中在废弃核桃壳超微 采用美国FEI公司NANO SEM430型场发射扫 粉与特殊钢渣超微粉的质量比为100：6时出现显 描电子显微镜测试钢渣基生物质活性炭的微观 著的拐点，这与钢渣基生物质活性炭的孔结构（见 形貌 表3)相关.从表3可以看出，当废弃核桃壳超微粉 与特殊钢渣超微粉的质量比≤100：6时，钢渣基生 2 结果与讨论 物质活性炭的孔结构、比表面积和平均孔径均小 2.1废弃核桃壳超微粉与特殊钢渣超微粉的质量 幅降低，但是当废弃核桃壳超微粉与特殊钢渣超 比的影响 微粉的质量比>100：6时，钢渣基生物质活性炭的 特殊钢渣超微粉的细度为600目，废弃核桃 孔结构、比表面积和平均孔径均大幅降低，这是因 壳超微粉与特殊钢渣超微粉的质量比分别为 为特殊钢渣超微粉掺量过大时，造成特殊钢渣超 100:0、100:2、100:4、100:6、100:8、100:10, 微粉在孔结构中大量积累，导致有效吸附空间降 吸附环境温度为30℃时钢渣基生物质活性炭吸 低、对氯气的吸附能力降低 收氯气性能见表1. 表3钢渣基生物质活性炭的孔结构 表1废弃核桃壳超微粉与特殊钢渣超微粉的质量比对钢渣基生物 Table 3 Pore structure of steel-slag-based biomass-activated carbon 质活性炭的影响 Mass ratio Pore structure/ Specific surface area/ Average pore Table 1 Effect of the mass ratio of discarded walnut shell ultrafine (cmg) (m2g) size/nm powder and special steel slag ultrafine powder on steel-slag-based 100:0 0.72 996 11.05 biomass-activated carbon 100:2 0.72 975 11.02 Mass Chlorine adsorption capacity in different pressures/% 100:4 0.71 960 10.96 ratio 0MPa 0.02 MPa 0.04 MPa 0.08 MPa 0.16 MPa 0.24 MPa 100:6 0.68 953 10.87 100:00 4.06 7.52 16.75 21.81 28.39 100:8 0.63 907 10.44 100:20 4.75 8.32 18.14 23.62 30.15 100:10 0.56 835 10.23 100:40 5.48 9.53 20.65 26.89 34.35 100:60 5.94 10.07 21.47 27.93 35.16 2.2特殊钢渣超微粉细度的影响 100:80 5.69 9.83 20.52 26.36 34.02 特殊钢渣超微粉的细度分别为400目、500目、 100:100 5.25 9.75 20.60 26.31 33.36 600目、700目和800目，废弃核桃壳超微粉与特 殊钢渣超微粉的质量比分别为100：6.吸附环境 从表1可以看出，随特殊钢渣超微粉掺量的增 温度为30℃时钢渣基生物质活性炭吸收氯气性 加，钢渣基生物质活性炭对氯气的吸附能力均有 能见表4. 所提高，说明特殊钢渣超微粉掺入废弃核桃壳超 从表4可以看出，随特殊钢渣超微粉细度的增 微粉可以提高生物质活性炭对氯气的吸附能力， 加，钢渣基生物质活性炭对氯气的吸附能力呈现 这与特殊钢渣超微粉的化学成分（见表2）相关.从 先大幅提高后小幅增加的趋势，其中在特殊钢渣 表2可以看出，特殊钢渣超微粉的化学成分中 超微粉细度≥600目时钢渣基生物质活性炭对氯 含有一定量的Fe2O3、PzO5、CuO和MnO,其中Fe2O3 气的吸附能力基本趋向稳定，这与特殊钢渣超微 具有磁性有利于氯气在钢渣基生物质活性炭表面 粉的粒度分布（见图1）及其均匀性（见表5）相关. 形成富集，提高其吸附能力，CuO和MnO具有催 从图1可以看出，随着特殊钢渣超微粉细度的 化性可以协助促进钢渣基生物质活性炭的吸附 增加，特殊钢渣超微粉的d降低，但是d10与 能力18-20 dso呈现先降低后大幅增加再小幅减小的趋势（其

钢渣基活性炭吸收氯气的性能；采用美国赛默飞 世尔科技公司 ARLAdvant’X IntellipowerTW3600 型扫描型 X-射线荧光光谱仪测试特殊钢渣超微粉 的 化 学 成 分 ； 采 用 美 国 Micromeritics  Instrument Corporation 公 司 TriStarII 3020 型 全 自 动 比 表 面 和孔隙分析仪测试钢渣基生物质活性炭的孔 结构；采用珠海欧美克仪器有限公司 LS-POP(9) 型激光粒度仪测试特殊钢渣超微粉的粒径分布； 采用美 国 FEI 公 司 NANO  SEM430 型场发射扫 描电子显微镜测试钢渣基生物质活性炭的微观 形貌. 2    结果与讨论 2.1    废弃核桃壳超微粉与特殊钢渣超微粉的质量 比的影响 特殊钢渣超微粉的细度为 600 目，废弃核桃 壳超微粉与特殊钢渣超微粉的质量比分别 为 100∶0、100∶2、100∶4、100∶6、100∶8、100∶10， 吸附环境温度为 30 ℃ 时钢渣基生物质活性炭吸 收氯气性能见表 1. 表 1 废弃核桃壳超微粉与特殊钢渣超微粉的质量比对钢渣基生物 质活性炭的影响 Table  1    Effect  of  the  mass  ratio  of  discarded  walnut  shell  ultrafine powder  and  special  steel  slag  ultrafine  powder  on  steel-slag-based biomass-activated carbon Mass ratio Chlorine adsorption capacity in different pressures/% 0 MPa 0.02 MPa 0.04 MPa 0.08 MPa 0.16 MPa 0.24 MPa 100∶0 0 4.06 7.52 16.75 21.81 28.39 100∶2 0 4.75 8.32 18.14 23.62 30.15 100∶4 0 5.48 9.53 20.65 26.89 34.35 100∶6 0 5.94 10.07 21.47 27.93 35.16 100∶8 0 5.69 9.83 20.52 26.36 34.02 100∶10 0 5.25 9.75 20.60 26.31 33.36 从表 1 可以看出，随特殊钢渣超微粉掺量的增 加，钢渣基生物质活性炭对氯气的吸附能力均有 所提高，说明特殊钢渣超微粉掺入废弃核桃壳超 微粉可以提高生物质活性炭对氯气的吸附能力， 这与特殊钢渣超微粉的化学成分（见表 2）相关. 从 表 2 可以看出 ，特殊钢渣超微粉的化学成分中 含有一定量的 Fe2O3、P2O5、CuO 和 MnO，其中 Fe2O3 具有磁性有利于氯气在钢渣基生物质活性炭表面 形成富集，提高其吸附能力，CuO 和 MnO 具有催 化性可以协助促进钢渣基生物质活性炭的吸附 能力[18−20] . 表 2 特殊钢渣超微粉的化学成分（质量分数） Table 2 Chemical composition of special steel slag ultrafine powder % CaO SiO2 Al2O3 MgO Fe2O3 Cr2O3 PbO P2O5 CuO MnO Other 53.05 23.61 8.33 7.52 1.92 1.04 0.79 0.43 0.41 0.40 2.50 从表 1 还可以看出，随特殊钢渣超微粉掺量的 增加，钢渣基生物质活性炭对氯气的吸附能力呈 现先增加后降低的趋势，其中在废弃核桃壳超微 粉与特殊钢渣超微粉的质量比为 100∶6 时出现显 著的拐点，这与钢渣基生物质活性炭的孔结构（见 表 3）相关. 从表 3 可以看出，当废弃核桃壳超微粉 与特殊钢渣超微粉的质量比≤100∶6 时，钢渣基生 物质活性炭的孔结构、比表面积和平均孔径均小 幅降低，但是当废弃核桃壳超微粉与特殊钢渣超 微粉的质量比>100∶6 时，钢渣基生物质活性炭的 孔结构、比表面积和平均孔径均大幅降低，这是因 为特殊钢渣超微粉掺量过大时，造成特殊钢渣超 微粉在孔结构中大量积累，导致有效吸附空间降 低、对氯气的吸附能力降低. 表 3 钢渣基生物质活性炭的孔结构 Table 3   Pore structure of steel-slag-based biomass-activated carbon Mass ratio Pore structure/ (cm3 ·g−1) Specific surface area/ (m2 ·g−1) Average pore size/nm 100∶0 0.72 996 11.05 100∶2 0.72 975 11.02 100∶4 0.71 960 10.96 100∶6 0.68 953 10.87 100∶8 0.63 907 10.44 100∶10 0.56 835 10.23 2.2    特殊钢渣超微粉细度的影响 特殊钢渣超微粉的细度分别为 400 目、500 目、 600 目、700 目和 800 目，废弃核桃壳超微粉与特 殊钢渣超微粉的质量比分别为 100∶6，吸附环境 温度为 30 ℃ 时钢渣基生物质活性炭吸收氯气性 能见表 4. 从表 4 可以看出，随特殊钢渣超微粉细度的增 加，钢渣基生物质活性炭对氯气的吸附能力呈现 先大幅提高后小幅增加的趋势，其中在特殊钢渣 超微粉细度≥600 目时钢渣基生物质活性炭对氯 气的吸附能力基本趋向稳定，这与特殊钢渣超微 粉的粒度分布（见图 1）及其均匀性（见表 5）相关. 从图 1 可以看出，随着特殊钢渣超微粉细度的 增加 ，特殊钢渣超微粉 的 d90 降低 ，但 是 d10 与 d50 呈现先降低后大幅增加再小幅减小的趋势（其 · 948 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期

孙大为等：特殊钢渣超微粉改性废弃核桃壳制备钢渣基生物质活性炭及其吸收氯气的性能 949 表4特殊钢渣超微粉细度对钢渣基生物质活性炭的彩响 步提高.从表5可以看出，随特殊钢渣超微粉细 Table 4 Effect of the fineness of special steel slag ultrafine powder on 度的增加，特殊钢渣超微粉的dod1o与(dso-d1o)/ steel-slag-based biomass-activated carbon dso均呈现先增加后降低、再小幅波动的趋势，说 Fineness Chlorine adsorption capacity in different pressures/% 明在特殊钢渣超微粉粒径较小时，均匀性较好的 (mesh)0 MPa 0.02 MPa 0.04 MPa 0.08 MPa 0.16 MPa 0.24 MPa 特殊钢渣超微粉对提高钢渣基生物质活性炭吸附 400 0 5.15 9.17 19.63 25.47 32.51 氯气较小. 500 0 5.42 9.50 20.26 26.22 33.84 23吸附环境温度的影响 600 0 5.94 10.07 21.47 27.93 35.16 特殊钢渣超微粉的细度为600目，废弃核桃壳 700 0 5.95 10.15 21.80 28.25 35.22 超微粉与特殊钢渣超微粉的质量比分别为 800 0 6.03 10.23 21.95 28.56 35.91 100:6,吸附环境温度分别为20、30和40℃时钢 渣基生物质活性炭吸收氯气性能见表6 中d,是颗粒累积分布分为i%的粒径)，说明特殊 从表6可以看出，随吸附环境温度的上升，钢 钢渣超微粉细度过大，会造成小粒径颗粒团聚，从 渣基生物质活性炭对氯气的吸附能力呈现先小幅 而影响钢渣基生物质活性炭对氯气的吸附能力进 降低后大幅降低的趋势，这是因为较高的吸附环 100F 100 1.4 (a)do=7.49μm,d=17.65μm .90 d=33.09um % (b)d。=4.31um,do=11.11μm 1.4 do=23.97um 1.2 70 12 心 1.0 60 1.0 号50 0.8 0.8 50 0.6 30 0.6 30 0.4 2 0.4 20 0.2 10 0.2 1 0.1 10 8品 0.0 0.1 10 00 Particle size/m Particle size/um 100F 100 0 (c)do=3.21um,ds=9.69um, 1.2 90 (ddo=10.34um,d=15.16μm 80 do=22.89μm 1.0 do=21.95μm N 036242 60 0.8 /uonnq!nsip 60 1.8 50 1.6 0.6 40 40 30 0.4 20 0.2 2 10 10 0 8 0 0 0 0.01 0.1 1 10 100 0.01 0.1 10 100 Particle size/μm Particle size/μm 100F 2.2 90 (e)d。=6.00um,do=10.78m, 2.0 do=17.62μm 1.8 80 70 1.6 1.4 60 1.2 50 10 40 0.8 30 0.6 0.4 0 0.2 0E 0 0.01 0.1 10 100 Particle size/um 图1特殊钢渣超微粉的粒度分布.(a)细度为400目：(b)细度为500目：(c)细度为600目：(d)细度为700目：(e)细度为800目 Fig.I Particle size distribution of special steel slag:(a)fineness of 400 mesh;(b)fineness of 500 mesh;(c)fineness of 600 mesh;(d)fineness of 700 mesh;(e)fineness of 800 mesh

中 di 是颗粒累积分布分为 i% 的粒径），说明特殊 钢渣超微粉细度过大，会造成小粒径颗粒团聚，从 而影响钢渣基生物质活性炭对氯气的吸附能力进 一步提高. 从表 5 可以看出，随特殊钢渣超微粉细 度的增加，特殊钢渣超微粉的 d90/d10 与 (d90-d10)/ d50 均呈现先增加后降低、再小幅波动的趋势，说 明在特殊钢渣超微粉粒径较小时，均匀性较好的 特殊钢渣超微粉对提高钢渣基生物质活性炭吸附 氯气较小. 2.3    吸附环境温度的影响 特殊钢渣超微粉的细度为 600 目，废弃核桃壳 超 微 粉 与 特 殊 钢 渣 超 微 粉 的 质 量 比 分 别 为 100∶6，吸附环境温度分别为 20、30 和 40 ℃ 时钢 渣基生物质活性炭吸收氯气性能见表 6. 从表 6 可以看出，随吸附环境温度的上升，钢 渣基生物质活性炭对氯气的吸附能力呈现先小幅 降低后大幅降低的趋势，这是因为较高的吸附环 表 4    特殊钢渣超微粉细度对钢渣基生物质活性炭的影响 Table 4    Effect of the fineness of special steel slag ultrafine powder on steel-slag-based biomass-activated carbon Fineness (mesh) Chlorine adsorption capacity in different pressures/% 0 MPa 0.02 MPa 0.04 MPa 0.08 MPa 0.16 MPa 0.24 MPa 400 0 5.15 9.17 19.63 25.47 32.51 500 0 5.42 9.50 20.26 26.22 33.84 600 0 5.94 10.07 21.47 27.93 35.16 700 0 5.95 10.15 21.80 28.25 35.22 800 0 6.03 10.23 21.95 28.56 35.91 0.01 0.1 1 10 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Particle size/μm 0.01 0.1 1 10 100 Particle size/μm 0.01 0.1 1 10 100 Particle size/μm 0.01 0.1 1 10 100 Particle size/μm 0.01 0.1 1 10 100 Particle size/μm Cumulative distribution/ % 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 Density distribution/ % d10=7.49 μm, d50=17.65 μm, d90=33.09 μm 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Cumulative distribution/ % 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Density distribution/ % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Cumulative distribution/ % 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Density distribution/ % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Cumulative distribution/ % 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 Density distribution/ % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Cumulative distribution/ % 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 Density distribution/ % d10=4.31 μm, d50=11.11 μm, d90=23.97 μm d10=10.34 μm, d50=15.16 μm, d90=21.95 μm d10=3.21 μm, d50=9.69 μm, d90=22.89 μm d10=6.00 μm, d50=10.78 μm, d90=17.62 μm (c) (b) (d) (e) (a) 图 1    特殊钢渣超微粉的粒度分布. （a）细度为 400 目；（b）细度为 500 目；（c）细度为 600 目；（d）细度为 700 目；（e）细度为 800 目 Fig.1    Particle size distribution of special steel slag: (a) fineness of 400 mesh; (b) fineness of 500 mesh; (c) fineness of 600 mesh; (d) fineness of 700 mesh; (e) fineness of 800 mesh 孙大为等： 特殊钢渣超微粉改性废弃核桃壳制备钢渣基生物质活性炭及其吸收氯气的性能 · 949 ·