一种用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭及其制备方法与流程

本发明属于冶金固废资源利用领域，具体涉及一种用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭及其制备方法。
背景技术：
：室内环境是人的一生接触最为频繁的场所，大约80％的时间都是在室内环境中度过，因此，室内环境质量的优劣直接影响居民的身体健康。但是随着社会与经济的发展，人们对建筑的保温绝热性能与室内装饰美化要求提高，造成室内环境的通风效果下降与挥发性有机化合物浓度提高，导致室内空气品质问题日益严重。其中甲醛是除苯系物以外，被单独从挥发性有机化合物中单列出来，是室内空气中典型的污染物之一，已经成为研究室内空气品质的焦点问题。目前对于室内空气中甲醛的治理方法主要包括生物方法、吸附法、臭氧氧化法、光催化氧化法等。由于活性炭具有发达的多孔结构与丰富的比表面积，因此对去除有机化合物有明显的优势，被广泛用于室内空气污染物的处理。然而，活性炭也存在寿命短，易造成室内环境二次污染的问题，因此需要利用金属氧化物对活性炭进行改性，以提高其去除有机化合物的能力，尤其是降解甲醛的能力。利用金属氧化物对活性炭进行改性，虽然可以提高活性炭降解甲醛的性能，但是也导致制备成本的增加，极大的限制其应用范围。转炉污泥是在转炉吹炼过程中，吹入的氧气与生铁中碳发生不完全氧化反应，生产含co的烟气流，同时又有铁及其他伴生金属元素以烟气的形式进入湿式烟气除尘系统，洗涤污水所携带的烟尘经沉淀后形成，其铁、钙元素含量较高，即feo、fe/fe2o3与cao；转炉干法除尘细灰是转炉开始冶炼后，蒸发冷却器喷介质冷却烟道内转炉烟气，烟气被冷却后产生的细灰，其铁元素含量高，即feo与fe/fe2o3。如果利用转炉污泥与转炉干法除尘细灰中含有的金属氧化物对活性炭进行改性处理，不仅解决改性活性炭的成本问题，而且拓展了难处理转炉污泥与转炉干法除尘细灰的高附加值应用，实现“以废治危”的新思路。技术实现要素：为了解决利用金属氧化物对活性炭进行改性，虽然可以提高活性炭降解甲醛性能，但是导致制备成本增加的问题；转炉污泥与转炉干法除尘细灰难处理且难以资源化利用的问题。本发明提供了一种用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭，以期解决以上问题。为了解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案予以实现的。本发明提供了一种用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭，该冶金尘泥改性活性炭按重量百分比原料如下：所述转炉污泥的粒径为0.6μm～2.5μm；所述转炉干法除尘细灰的粒径为1.2μm～6.5μm；所述磷酸为分析纯；所述活性炭为工业纯；所述无水乙醇为分析纯；所述水为去离子水；所述石墨烯为工业纯。进一步的，所述转炉污泥的化学成分，以质量百分比计，分别为：fe3o4(6.43％)、feo(59.58％)、fe/fe2o3(10.28％)、sio2(1.98％)、cao(10.28％)、mgo(3.47％)、al2o3(1.83％)、k(0.19％)、na(0.21％)、c(1.65％)、zn(0.25％)和其他(3.85％)。进一步的，所述转炉干法除尘细灰的化学成分，以质量百分比计，分别为：fe3o4(2.48％)、feo(15.59％)、fe/fe2o3(54.83％)、sio2(2.37％)、cao(6.52％)、mgo(1.05％)、al2o3(0.79％)、k(1.01％)、na(1.67％)、c(1.52％)、zn(0.03％)和其他(12.14％)。本发明同时提供了上述用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)将转炉污泥、转炉干法除尘细灰与无水乙醇进行混合，利用高能球磨机在氢气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为500r/min～800r/min、时间为8h～16h，得到i型复合粉体。(2)将i型复合粉体与磷酸、水进行混合，利用高能球磨机在空气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为400r/min～600r/min、时间为36h～72h，得到ii型复合粉体。(3)将ii型复合粉体与活性炭、石墨烯进行混合，利用高能球磨机在氦气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为250r/min～500r/min、时间为24h～48h，得到用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭。本发明的科学原理：(1)利用转炉污泥与转炉干法除尘细灰中feo与fe/fe2o3对活性炭进行改性，一方面活性炭的多孔结构有利于甲醛分子的富集，另一方面feo与fe/fe2o3具有催化性能，可以催化降解富集于活性炭结构中的甲醛分子。(2)机械合金化是将粉末混合物在机械力作用下不断产生新的分子或原子面，通过变形-破碎-细化过程的反复进行，形成层状结构并不断细化，从而缩短固态粒子之间相互扩散的距离，加速粉末化合进程，以形成均匀且稳定结构的固溶体或化合物。采用氢气气氛机械合金化处理技术发生爆炸反应，即转炉污泥与转炉干法除尘细灰中部分feo与fe2o3在高温下生成具有磁性的fe3o4可以增强活性炭表面吸附甲醛分子的性能，进一步提高降解甲醛效率。(3)石墨烯具有独特的平面延展结构，更大的理论比表面积(2630m2·g-1)，较高的电子迁移率(2×105cm2·v-1·s-1)和电导率(106s·m-1)，以及良好的机械性和热稳定性。较大的比表面积有利于提高活性炭表面降解甲醛活性组分的分散度,优异的电子特性可以极大地促进催化降解过程中电子的传递，从而加速降解甲醛反应的进行，提高其效率。(4)磷酸(h3po4)属于中强酸，由于磷酸分子中p原子是sp3杂化的，3个杂化轨道与氧原子间形成3个σ键，另一个p—o键是由一个从磷到氧的σ配键和两个由氧到磷的d-pπ键组成的。磷酸受强热后脱水易生成焦磷酸、三磷酸和多聚偏磷酸，能与转炉污泥与转炉干法除尘细灰中硅元素(sio2)、金属元素(feo和fe/fe2o3)形成少量且稳定的硅-磷-铁消烟、阻燃体系，以提高阻燃性能。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、本发明解决了利用金属氧化物对活性炭进行改性，虽然可以提高活性炭降解甲醛性能，但是导致制备成本增加的问题；转炉污泥与转炉干法除尘细灰难处理且难以资源化利用的问题。2、本发明利用转炉污泥与转炉干法除尘细灰制备用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭，其性能优越且价格低廉，拓展了转炉污泥与转炉干法除尘细灰的高性能、高附加值利用途径，实现了“以废治废”的新思路。3、本发明一种用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭及其制备方法符合相关节能环保、循环经济的政策要求。附图说明图1为环境测试舱模拟室内环境示意图；图中：1、温湿度传感器；2、采样口；3、风扇；4、光源；a、甲醛气体；b、用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭。具体实施方式以下结合具体实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。实施例1以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述转炉污泥的粒径为0.6μm～2.5μm，化学成分(质量分数)为fe3o4(6.43％)、feo(59.58％)、fe/fe2o3(10.28％)、sio2(1.98％)、cao(10.28％)、mgo(3.47％)、al2o3(1.83％)、k(0.19％)、na(0.21％)、c(1.65％)、zn(0.25％)和其他(3.85％)；所述转炉干法除尘细灰的粒径为1.2μm～6.5μm，化学成分(质量分数)为fe3o4(2.48％)、feo(15.59％)、fe/fe2o3(54.83％)、sio2(2.37％)、cao(6.52％)、mgo(1.05％)、al2o3(0.79％)、k(1.01％)、na(1.67％)、c(1.52％)、zn(0.03％)和其他(12.14％)；所述磷酸为分析纯；所述活性炭为工业纯；所述无水乙醇为分析纯；所述水为去离子水；所述石墨烯为工业纯。(1)将转炉污泥、转炉干法除尘细灰与无水乙醇进行混合，利用高能球磨机在氢气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为800r/min、时间为12h，得到i型复合粉体。(2)将i型复合粉体与磷酸、水进行混合，利用高能球磨机在空气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为400r/min、时间为72h，得到ii型复合粉体。(3)将ii型复合粉体与活性炭、石墨烯进行混合，利用高能球磨机在氦气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为450r/min、时间为30h，得到用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭。实施例2以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述转炉污泥的粒径为0.6μm～2.5μm，化学成分(质量分数)为fe3o4(6.43％)、feo(59.58％)、fe/fe2o3(10.28％)、sio2(1.98％)、cao(10.28％)、mgo(3.47％)、al2o3(1.83％)、k(0.19％)、na(0.21％)、c(1.65％)、zn(0.25％)和其他(3.85％)；所述转炉干法除尘细灰的粒径为1.2μm～6.5μm，化学成分(质量分数)为fe3o4(2.48％)、feo(15.59％)、fe/fe2o3(54.83％)、sio2(2.37％)、cao(6.52％)、mgo(1.05％)、al2o3(0.79％)、k(1.01％)、na(1.67％)、c(1.52％)、zn(0.03％)和其他(12.14％)；所述磷酸为分析纯；所述活性炭为工业纯；所述无水乙醇为分析纯；所述水为去离子水；所述石墨烯为工业纯。(1)将转炉污泥、转炉干法除尘细灰与无水乙醇进行混合，利用高能球磨机在氢气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为700r/min、时间为8h，得到i型复合粉体。(2)将i型复合粉体与磷酸、水进行混合，利用高能球磨机在空气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为500r/min、时间为48h，得到ii型复合粉体。(3)将ii型复合粉体与活性炭、石墨烯进行混合，利用高能球磨机在氦气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为250r/min、时间为42h，得到用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭。实施例3以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述转炉污泥的粒径为0.6μm～2.5μm，化学成分(质量分数)为fe3o4(6.43％)、feo(59.58％)、fe/fe2o3(10.28％)、sio2(1.98％)、cao(10.28％)、mgo(3.47％)、al2o3(1.83％)、k(0.19％)、na(0.21％)、c(1.65％)、zn(0.25％)和其他(3.85％)；所述转炉干法除尘细灰的粒径为1.2μm～6.5μm，化学成分(质量分数)为fe3o4(2.48％)、feo(15.59％)、fe/fe2o3(54.83％)、sio2(2.37％)、cao(6.52％)、mgo(1.05％)、al2o3(0.79％)、k(1.01％)、na(1.67％)、c(1.52％)、zn(0.03％)和其他(12.14％)；所述磷酸为分析纯；所述活性炭为工业纯；所述无水乙醇为分析纯；所述水为去离子水；所述石墨烯为工业纯。(1)将转炉污泥、转炉干法除尘细灰与无水乙醇进行混合，利用高能球磨机在氢气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为500r/min、时间为16h，得到i型复合粉体。(2)将i型复合粉体与磷酸、水进行混合，利用高能球磨机在空气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为600r/min、时间为60h，得到ii型复合粉体。(3)将ii型复合粉体与活性炭、石墨烯进行混合，利用高能球磨机在氦气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为350r/min、时间为24h，得到用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭。实施例4以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述转炉污泥的粒径为0.6μm～2.5μm，化学成分(质量分数)为fe3o4(6.43％)、feo(59.58％)、fe/fe2o3(10.28％)、sio2(1.98％)、cao(10.28％)、mgo(3.47％)、al2o3(1.83％)、k(0.19％)、na(0.21％)、c(1.65％)、zn(0.25％)和其他(3.85％)；所述转炉干法除尘细灰的粒径为1.2μm～6.5μm，化学成分(质量分数)为fe3o4(2.48％)、feo(15.59％)、fe/fe2o3(54.83％)、sio2(2.37％)、cao(6.52％)、mgo(1.05％)、al2o3(0.79％)、k(1.01％)、na(1.67％)、c(1.52％)、zn(0.03％)和其他(12.14％)；所述磷酸为分析纯；所述活性炭为工业纯；所述无水乙醇为分析纯；所述水为去离子水；所述石墨烯为工业纯。(1)将转炉污泥、转炉干法除尘细灰与无水乙醇进行混合，利用高能球磨机在氢气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为600r/min、时间为14h，得到i型复合粉体。(2)将i型复合粉体与磷酸、水进行混合，利用高能球磨机在空气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为600r/min、时间为36h，得到ii型复合粉体。(3)将ii型复合粉体与活性炭、石墨烯进行混合，利用高能球磨机在氦气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为500r/min、时间为36h，得到用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭。实施例5以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述转炉污泥的粒径为0.6μm～2.5μm，化学成分(质量分数)为fe3o4(6.43％)、feo(59.58％)、fe/fe2o3(10.28％)、sio2(1.98％)、cao(10.28％)、mgo(3.47％)、al2o3(1.83％)、k(0.19％)、na(0.21％)、c(1.65％)、zn(0.25％)和其他(3.85％)；所述转炉干法除尘细灰的粒径为1.2μm～6.5μm，化学成分(质量分数)为fe3o4(2.48％)、feo(15.59％)、fe/fe2o3(54.83％)、sio2(2.37％)、cao(6.52％)、mgo(1.05％)、al2o3(0.79％)、k(1.01％)、na(1.67％)、c(1.52％)、zn(0.03％)和其他(12.14％)；所述磷酸为分析纯；所述活性炭为工业纯；所述无水乙醇为分析纯；所述水为去离子水；所述石墨烯为工业纯。(1)将转炉污泥、转炉干法除尘细灰与无水乙醇进行混合，利用高能球磨机在氢气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为800r/min、时间为10h，得到i型复合粉体。(2)将i型复合粉体与磷酸、水进行混合，利用高能球磨机在空气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为500r/min、时间为60h，得到ii型复合粉体。(3)将ii型复合粉体与活性炭、石墨烯进行混合，利用高能球磨机在氦气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为300r/min、时间为48h，得到用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭。实施例6以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述转炉污泥的粒径为0.6μm～2.5μm，化学成分(质量分数)为fe3o4(6.43％)、feo(59.58％)、fe/fe2o3(10.28％)、sio2(1.98％)、cao(10.28％)、mgo(3.47％)、al2o3(1.83％)、k(0.19％)、na(0.21％)、c(1.65％)、zn(0.25％)和其他(3.85％)；所述转炉干法除尘细灰的粒径为1.2μm～6.5μm，化学成分(质量分数)为fe3o4(2.48％)、feo(15.59％)、fe/fe2o3(54.83％)、sio2(2.37％)、cao(6.52％)、mgo(1.05％)、al2o3(0.79％)、k(1.01％)、na(1.67％)、c(1.52％)、zn(0.03％)和其他(12.14％)；所述磷酸为分析纯；所述活性炭为工业纯；所述无水乙醇为分析纯；所述水为去离子水；所述石墨烯为工业纯。(1)将转炉污泥、转炉干法除尘细灰与无水乙醇进行混合，利用高能球磨机在氢气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为700r/min、时间为12h，得到i型复合粉体。(2)将i型复合粉体与磷酸、水进行混合，利用高能球磨机在空气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为400r/min、时间为48h，得到ii型复合粉体。(3)将ii型复合粉体与活性炭、石墨烯进行混合，利用高能球磨机在氦气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为400r/min、时间为36h，得到用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭。对比例1以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述转炉干法除尘细灰的粒径为1.2μm～6.5μm，化学成分(质量分数)为fe3o4(2.48％)、feo(15.59％)、fe/fe2o3(54.83％)、sio2(2.37％)、cao(6.52％)、mgo(1.05％)、al2o3(0.79％)、k(1.01％)、na(1.67％)、c(1.52％)、zn(0.03％)和其他(12.14％)；所述磷酸为分析纯；所述活性炭为工业纯；所述无水乙醇为分析纯；所述水为去离子水；所述石墨烯为工业纯。(1)将转炉干法除尘细灰与无水乙醇进行混合，利用高能球磨机在氢气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为700r/min、时间为12h，得到i型复合粉体。(2)将i型复合粉体与磷酸、水进行混合，利用高能球磨机在空气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为400r/min、时间为48h，得到ii型复合粉体。(3)将ii型复合粉体与活性炭、石墨烯进行混合，利用高能球磨机在氦气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为400r/min、时间为36h，得到用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭。对比例2以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述转炉污泥的粒径为0.6μm～2.5μm，化学成分(质量分数)为fe3o4(6.43％)、feo(59.58％)、fe/fe2o3(10.28％)、sio2(1.98％)、cao(10.28％)、mgo(3.47％)、al2o3(1.83％)、k(0.19％)、na(0.21％)、c(1.65％)、zn(0.25％)和其他(3.85％)；所述磷酸为分析纯；所述活性炭为工业纯；所述无水乙醇为分析纯；所述水为去离子水；所述石墨烯为工业纯。(1)将转炉污泥与无水乙醇进行混合，利用高能球磨机在氢气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为700r/min、时间为12h，得到i型复合粉体。(2)将i型复合粉体与磷酸、水进行混合，利用高能球磨机在空气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为400r/min、时间为48h，得到ii型复合粉体。(3)将ii型复合粉体与活性炭、石墨烯进行混合，利用高能球磨机在氦气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为400r/min、时间为36h，得到用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭。对比例3以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述转炉污泥的粒径为0.6μm～2.5μm，化学成分(质量分数)为fe3o4(6.43％)、feo(59.58％)、fe/fe2o3(10.28％)、sio2(1.98％)、cao(10.28％)、mgo(3.47％)、al2o3(1.83％)、k(0.19％)、na(0.21％)、c(1.65％)、zn(0.25％)和其他(3.85％)；所述转炉干法除尘细灰的粒径为1.2μm～6.5μm，化学成分(质量分数)为fe3o4(2.48％)、feo(15.59％)、fe/fe2o3(54.83％)、sio2(2.37％)、cao(6.52％)、mgo(1.05％)、al2o3(0.79％)、k(1.01％)、na(1.67％)、c(1.52％)、zn(0.03％)和其他(12.14％)；所述活性炭为工业纯；所述无水乙醇为分析纯；所述水为去离子水；所述石墨烯为工业纯。(1)将转炉污泥、转炉干法除尘细灰与无水乙醇进行混合，利用高能球磨机在氢气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为700r/min、时间为12h，得到i型复合粉体。(2)将i型复合粉体与水进行混合，利用高能球磨机在空气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为400r/min、时间为48h，得到ii型复合粉体。(3)将ii型复合粉体与活性炭、石墨烯进行混合，利用高能球磨机在氦气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为400r/min、时间为36h，得到用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭。对比例4以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述转炉污泥的粒径为0.6μm～2.5μm，化学成分(质量分数)为fe3o4(6.43％)、feo(59.58％)、fe/fe2o3(10.28％)、sio2(1.98％)、cao(10.28％)、mgo(3.47％)、al2o3(1.83％)、k(0.19％)、na(0.21％)、c(1.65％)、zn(0.25％)和其他(3.85％)；所述转炉干法除尘细灰的粒径为1.2μm～6.5μm，化学成分(质量分数)为fe3o4(2.48％)、feo(15.59％)、fe/fe2o3(54.83％)、sio2(2.37％)、cao(6.52％)、mgo(1.05％)、al2o3(0.79％)、k(1.01％)、na(1.67％)、c(1.52％)、zn(0.03％)和其他(12.14％)；所述磷酸为分析纯；所述活性炭为工业纯；所述无水乙醇为分析纯；所述水为去离子水。(1)将转炉污泥、转炉干法除尘细灰与无水乙醇进行混合，利用高能球磨机在氢气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为700r/min、时间为12h，得到i型复合粉体。(2)将i型复合粉体与磷酸、水进行混合，利用高能球磨机在空气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为400r/min、时间为48h，得到ii型复合粉体。(3)将ii型复合粉体与活性炭进行混合，利用高能球磨机在氦气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为400r/min、时间为36h，得到用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭。对比例5以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述活性炭为工业纯；所述无水乙醇为分析纯；所述水为去离子水。(1)将无水乙醇、水、与活性炭、石墨烯进行混合，利用高能球磨机在氦气气氛下对其进行机械合金化处理，其转速为400r/min、时间为36h，得到用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭。制备实施例1～6及对比例1～5，其性能检测过程如下：利用欧盟普遍采用的环境测试舱模拟室内环境(如图1所示)。利用温湿度传感器1，温度设置在23±0.5℃，湿度设置在45±3％。把2.5μl浓度为37％～40％的甲醛分析纯溶液滴加在培养皿上，放入环境测试舱，使其在环境测试舱中充分挥发，利用风扇3使整个环境测试舱中的甲醛气体a浓度为1mg/m3。将40g的用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭b负载到0.1m2的测试板上，利用光源4进行激发，使其产生降解作用。采用乙酰丙酮分光光度法(gb/t15516－1995)，利用采样口2，选择10h时采样10l舱内的气体，检测环境测试舱中甲醛气体的浓度变化，从而可以计算出用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭的降解甲醛效率。依据《活性炭着火点测试方法》gb/t20450-2006测试用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭的着火点。表1用于降解甲醛气体的冶金尘泥改性活性炭的性能序号降解甲醛效率/％着火点/℃实施例162.3452实施例261.6455实施例363.8454实施例462.6459实施例562.1456实施例663.5457对比例152.3441对比例256.7445对比例360.5432对比例452.8437对比例541.6412当前第1页12