常 娜，刘鹏飞，吴奕萱

(西安建筑科技大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710055)

活性半焦具有良好的吸附性能，可用于吸附处理气态汞、硫化氢、亚甲基蓝、焦化废水、油田含油废水、印染废水等低浓度有机废水及大气中的有机污染物、硫化物等，且活性半焦的吸附性能与其组成和结构密切相关[1-2]。但考虑成本及二次污染问题，废活性半焦亟待再生利用。废活性半焦再生符合“十三五”国家科技创新规划提出的资源高效循环利用政策。废活性半焦的再生方法主要有热再生、水洗再生、氨水再生和微波再生[3-4]。微波再生法加热均匀快速、热效率高、能耗低、易于控制，可恢复活性半焦的吸附性能，优化其孔隙结构[5]，但微波场中活性半焦的组成和结构演变与温度密切相关。

1 实 验

1.1 原 料

活性半焦取自陕西省神木县，其工业分析和元素组成分析结果如表1所示。

表1 活性半焦的工业分析和元素分析

1.2 分析方法

采用湖南三德科技股份有限公司SDTGA5000型全自动工业分析仪，分析活性半焦的工业分析组成和元素分析组成。采用日本数理电机株式会社D/MAX2200型X射线衍射分析仪对活性半焦结构进行分析。扫描范围2θ，10°～70°；X光管功率2 kW；测角仪精度：角度差小于±0.02°。采用日本电子株式会社JSM～6390型钨灯丝扫描电子显微镜，观察活性半焦的表面形貌。

1.3 试验过程

试验在微波材料学工作站中进行，如图1所示。首先将10 g活性半焦平铺于石英管中，将石英管放入微波材料学工作站，设定微波功率为700 W，采用K型热电偶测定活性半焦内部温度。为了避免活性半焦与热电偶之间发生放电打火，烧毁热电偶，热电偶先插入石英管套后，再插入活性半焦内部。在氮气保护下对活性半焦进行微波加热，分别加热至100 ℃、300 ℃、500 ℃、900 ℃下取出活性半焦，分析其组成和组织结构特性变化。

图1 微波加热示意

2 结果与讨论

2.1 工业分析

微波场中不同温度下活性半焦的工业分析组成如表2所示。可以看出，随着微波场中活性半焦温度不断升高，活性半焦中的水分逐渐蒸发，至300 ℃后活性半焦水分趋于稳定。随着活性半焦中挥发分不断逸出，在温度为300～500 ℃时活性半焦开始热解，挥发分大量逸出，产出焦油和煤气，活性半焦的挥发分大幅下降。

2.2 元素分析

微波场中不同温度下活性半焦的元素组成如表3所示，活性半焦在高温下会发生缩聚反应，导致氢元素含量随着温度升高而降低，而碳元素含量基本呈增加趋势。氧元素在活性半焦中主要以含氧官能团的形式存在，而煤结构中含氧官能团的稳定较差，在较低温度下即开始断裂，生成CO2及CO，并且在600 ℃左右，含氧官能团的热解反应基本完成[6]。

表3 微波场中不同温度下活性半焦的元素分析

2.3 X射线衍射分析

如图2所示，微波场中不同热解终温下活性半焦的XRD图都存在两个比较宽泛的衍射峰，分别是002峰和100峰。其中，002峰代表芳香环碳网平面在空间排列的有序程度，而100峰代表层片大小即芳香碳网层平面的直径[7]。通过分析计算，可得芳香碳网层间距d002，芳香层碳网层堆砌高度LC、平面直径La、芳香层叠片指标Lc/La和碳原子网堆砌层数Lc/d002，如表4所示。

图2 微波场中不同温度下活性半焦XRD谱

表4 微波场中不同温度下活性半焦的XRD结构参数

由表4可知，随着温度升高，d002值至300 ℃时略有增大。这是由于在微波作用下，活性半焦颗粒内外温度在短时间内均急速同步上升，气态产物集中释放，使得颗粒内部气体压力较大，对活性半焦的层片结构形成了“剥离效应”，使得层片间距增大[6]。随着温度继续升高又有所减小。La值随着温度的升高先减小，至500 ℃又逐渐增加，而Lc值至500 ℃达到最小，之后又逐渐增加。表明在100～900 ℃区间，900 ℃时活性半焦的结构单元最大，芳香环碳网平面在空间排列的有序程度最高[8]。

2.4 扫描电镜

微波场中不同温度下活性半焦的SEM显示结果如图3所示。由图3可知，在微波加热过程中，由于内外同步升温，气态产物集中释放，气体逸出形成的孔隙明显增多，孔径增大。

图3 微波场中不同温度下活性半焦的SEM照片

3 结 论

微波场中活性半焦的水分含量随着温度的升高而逐渐降低，至300 ℃趋于稳定。温度为300～500 ℃时，活性半焦大幅热解，产出焦油和煤气，从而挥发分含量大幅下降。活性半焦在高温下发生的缩聚反应导致氢元素含量降低，而碳元素的含量基本呈增加趋势。活性半焦中的氧以含氧官能团的形式存在，在较低温度下即开始断裂，至600 ℃左右含氧官能团的热解反应基本完成，氧元素含量趋于稳定。微波场中活性半焦颗粒内外同步快速升温，气态产物在温度为300～500 ℃时集中释放，气体逸出形成的孔隙明显增多，孔径增大；微波的作用下气体产物集中逸出会对活性半焦层片产生剥离效应，在温度300～500 ℃之间芳香碳网层间距d002略有增加。在100～900 ℃区间，900 ℃时活性半焦的结构单元最大，芳香环碳网平面在空间排列的有序程度最高。