利用回收廢輪胎碳黑並改質以應用於重金屬去除

Abstract

由於交通及民生產業蓬勃發展，民眾使用機動車輛的需求逐年攀升，間接導致產生的廢輪胎亦逐年增長。過去廢輪胎多以廢棄物形式堆置於堆置場或以船運方式送至國外，然而近年來科技日新月異，對於廢輪胎之處理技術亦有許多突破，熱裂解技術即為廢輪胎資源化的一大進展。利用熱裂解技術可將廢輪胎裂解為燃油、燃氣與碳黑，其中燃油與燃氣主要應用於作為輔助燃料使用，碳黑則因其高含碳量而被作為瀝青、再製輪胎或紡織產業等去處。由於碳黑本身的高含碳量以及具相對較高之含硫量，再加上其回收廢輪胎資源化之副產物的成本相對低廉，符合對於汞或其他重金屬吸附材料的特性與條件，進而改善環境中汞與重金屬的污染。而氧化石墨烯是石墨烯最重要的衍生物之一，過去被廣泛研究並且改質，可依據表面的強氧官能基和高水溶性以用於吸附劑的功能。因此本研究透過廢輪胎碳黑與改質後的碳黑氧化石墨烯，探討在不同吸附條件下的氣液相汞與液相重金屬去除效率，經由批次實驗獲得參數範圍之最適吸附參數，並經由物化性分析及吸附動力學等交叉分析進行反應機制的探討。 在物化分析中可得廢輪胎碳黑與碳黑氧化石墨烯其比表面積分別為78.9 m2/g與32.57 m2/g，元素分析中S含量分別為2.32與2.37 wt%，而碳黑氧化石墨烯的O含量為22.17 wt%，顯示其表面具氧官能基，對比於XPS的表面官能基分析結果，碳黑氧化石墨烯確實較碳黑更多含氧官能基，且硫官能基上也從二價硫轉變為四價或六價硫的官能基。在氣相除汞結果可得到兩種材料在吸附時間內之吸附量相近，且稍微優於市售含硫除汞碳。 而在液相除汞與去除重金屬方面，參數範圍條件下之最適吸附參數分別為對於Cu與Hg在參數範圍內之廢輪胎碳黑最適吸附參數分別為100 g、120分鐘、pH 5以及6 g、1440分鐘；而碳黑氧化石墨烯對於Cu、Zn以及Hg在參數範圍內之最適吸附劑量則分別為40 g、100 g、15 g，吸附時間皆為1分鐘，兩種材料的pH值則都在5時具最佳吸附結果。而在相同條件下比較兩種材料的去除效率時，廢輪胎碳黑對於Hg的吸附高於碳黑氧化石墨烯，在高劑量下廢輪胎碳黑對於Cu的吸附效果較優，而對Zn的吸附則為碳黑氧化石墨烯較佳；比較吸附速率上則以碳黑氧化石墨烯相對優異。而動力吸附模式結果指出，兩種材料在氣相汞實驗結果較為符合擬一階模式與顆粒內部擴散模型。碳黑在對於液相Cu與Hg吸附則較符合擬二階模式。對於程序升溫脫附汞的結果則顯示，廢輪胎碳黑在氣液相吸附上多以HgS與HgSO4形式鍵結，碳黑氧化石墨烯則以HgO與HgSO4為主。