从废弃石油焦中制备具有高选择性（S/N比高）、高性能（P功能）的碳吸附剂，用于降低石油废水中的水硬度及酚类污染物

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Engineering S/N/P-functional carbon adsorbents from waste petcoke to mitigate water hardness and phenolic pollution in petroleum wastewater

本研究利用石油焦废料制备三种表面修饰活性炭（AC-N、AC-S、AC-P），评估其去除水硬度离子（Ca2?、Mg2?）和酚类污染物（4-NP）的性能。AC-S在多种条件下表现最优，对硫酸钡和硫酸锶的吸附选择性高，且能显著降低石油废水中的油类和酚类含量，支持循环经济与低成本水处理应用。

　　石油行业在水资源利用和污染治理方面面临双重挑战。随着全球对清洁能源的追求，石油和天然气的需求预计会逐渐下降，但根据国际能源署的预测，石油生产在未来几十年仍将是全球能源供应的重要组成部分。这意味着，石油工业将持续大规模使用淡水并产生大量复杂的废水，对地下水和生态环境构成威胁。因此，有效的石油废水管理对于减少水资源压力和环境风险、确保可持续的石油生产至关重要。

当前，石油废水的处理主要依赖于多阶段系统，这些系统通常包括预处理、物理处理和化学处理等步骤。例如，预处理阶段用于去除油类和悬浮物，而物理处理如膜过滤、膜生物反应器和混凝等方法则用于降低溶解性有机物和盐类的含量。然而，这些多阶段处理方法在实际应用中仍存在诸多技术难题，如膜污染、高运营成本、对高溶解性有机物的去除效果有限，以及需要降低由二价阳离子引起的水硬度以防止结垢并保持系统效率。为了克服这些问题，许多研究致力于将互补的处理技术相结合，以实现对有机和无机污染物的高效去除。例如，先进的催化氧化（ACO）技术、吸附技术、离子交换技术和光催化技术等。

在这些技术中，吸附技术因其成本效益和高适应性，被认为是一种有前景的手段，特别是在同时去除二价金属阳离子和酚类污染物方面。活性炭（AC）作为常见的吸附材料，具有较大的比表面积、广泛的商业可获得性、优异的化学稳定性和易于改性等优点，因此在石油废水处理中得到了广泛应用。然而，传统的活性炭来源如煤炭、木材和农业废弃物在实际应用中仍存在一定的局限性，尤其是在处理高浓度、复杂成分的石油废水时，吸附效果可能受到竞争吸附、表面电荷相互作用变化以及污染或沉淀增加等因素的影响。

近年来，研究人员开始关注利用石油焦（petcoke）这种丰富的、成本低廉的石油精炼和石油化工副产品作为活性炭的原料。石油焦具有高固含量（超过85%），这使其成为一种理想的碳源。通过后合成改性技术，可以对石油焦衍生的活性炭进行表面工程化处理，以增强其对有机和无机污染物的吸附能力。例如，通过引入磷酸基团、磺酸基团和氨基基团等非金属官能团，可以显著提高活性炭对水硬度、矿物结垢和有机污染物的去除效率。这种改性策略不仅有助于实现对复杂石油废水的高效处理，还能够推动资源的循环利用，减少环境污染和废弃物处理成本。

本研究的目的是开发一种基于石油焦的、具有特定表面功能的活性炭吸附材料，以应对石油废水处理中的多种挑战。通过系统的实验和分析，研究人员评估了这些表面工程化的活性炭在去除酚类污染物（如4-硝基苯酚）和碱土金属二价阳离子（如Ba2?、Sr2?、Ca2?和Mg2?）方面的性能。研究还探讨了这些污染物与活性炭表面官能团之间的相互作用机制，以及离子强度和溶液pH值对吸附行为的影响。此外，研究还关注了这些活性炭在实际应用中的表现，特别是在处理真实石油废水（如炼油厂废水和油田废水）方面的效果。

在实际应用中，这些表面工程化的活性炭表现出优异的吸附性能。例如，AC-S（磺酸功能活性炭）在去除所有金属阳离子方面表现最佳，其对形成结垢的离子（SF）相对于形成水硬度的离子（HC）具有更高的选择性。研究发现，在离子强度为0.15 mol/L和pH值为6.5的条件下，AC-S的Kc值达到3.14，而在离子强度降低至0.025 mol/L时，Kc值下降了1.8倍。这表明，AC-S在处理高离子强度的废水时具有更强的吸附能力。相比之下，AC-N（氨基功能活性炭）在酸性条件下（pH值为4）对4-硝基苯酚的吸附亲和力更高，这主要归因于质子化作用对表面电荷和氢键性质的改变。

此外，AC-N在降低水碱度方面表现出显著效果，能够减少50%的碱度，并通过与碳酸根阴离子的相互作用来防止矿物结垢。这些发现不仅为石油废水的处理提供了新的解决方案，也为实现资源的循环利用和可持续发展提供了理论支持。从经济角度来看，这些表面工程化的活性炭具有较高的性价比，其价格范围在每公斤2.40至5.05美元之间，且在五次循环后仍表现出良好的稳定性，这使其成为商业活性炭的有力替代品。

本研究的意义在于，通过利用石油焦这一丰富的、低成本的副产品，开发出具有特定表面功能的活性炭吸附材料，从而推动石油行业向更加可持续的方向发展。这种材料不仅能够有效去除水硬度、矿物结垢和有机污染物，还能够减少环境污染和废弃物处理成本。从更广泛的角度来看，这种策略符合全球可持续发展的趋势，有助于建立一个闭环系统，实现资源的高效利用和环境责任的承担。

综上所述，本研究为石油废水处理提供了一种创新的解决方案，通过表面工程化的活性炭吸附材料，实现了对多种污染物的高效去除。这不仅有助于改善水环境质量，还能够推动石油行业的可持续发展，促进资源的循环利用和环境保护。未来的研究可以进一步优化这些活性炭的表面化学性质和孔隙结构，以提高其在不同废水条件下的吸附性能和选择性。同时，还可以探索这些活性炭在其他工业废水处理中的应用潜力，以拓展其使用范围并提高整体的环保效益。