IJCST封面文章 | 利用煤净化高浓度无机盐石油采出水及净化机制

期刊：International Journal of Coal Science & Technology

标题：Removal of ions from produced water using Powder River Basin coal

DOI：10.1007/s40789-022-00477-1

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美国怀俄明大学Maohong Fan教授研究团队提出，石油采出水中含有大量的无机盐离子直接排放会对环境造成不利影响，以煤作为一种两性材料，通过离子交换和/或共振效应可同时除去阴阳离子，达到净化效果。相关成果以“Removal of ions from produced water using Powder River Basin coal”为题发表在International Journal of Coal Science & Technology。

文章链接：https://doi.org/10.1007/s40789-022-00477-1

引用格式：Huang, Z., Liu, F., Tang, M. et al. Removal of ions from produced water using Powder River Basin coal. Int J Coal Sci Technol9, 1 (2022).

关于本刊

International Journal of Coal Science & Technology(IJCST) 创刊于2014年，由中国科协主管，中国煤炭学会主办，煤炭科学研究总院承办，采取钻石开放获取出版模式（即作者、读者均不需支付文章处理费APC），发表地质、采矿、化工、能源、环境等领域的原创性研究成果和高质量综述，为全球从事相关领域的学者提供国际交流平台。目前，IJCST已被ESCI、Ei、Scopus、CSCD、CAS、GeoBase等国内外重要数据库和检索系统收录，2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”。

封面基于本篇论文的学术思想，以绿色植被为主背景，带有各种离子的采出水自上而下贯穿封面，经过一煤块后净化清澈，表达出经煤块净化后的采出水灌溉滋养了绿色植被，体现了文章的绿色、可持续发展的思想。同时，微观放大了针对阳离子的离子交换、针对阴离子的共振效应和电子在大π键中的跳跃传递，展示了煤净化的微观机理。

研究背景

采出水是在石油和天然气开采过程中作为副产品产生的废水。石油和天然气工业每年会产生145亿吨的采出水，占据全球废液的80%，其中有40%会被直接排放到环境中。采出水一般含有有机和无机化合物，如油、重金属、放射性物质、盐等，直接排放会对环境造成危害。每年全球采出水的处理费用高达400亿美元，也因此针对采出水不同污染物开发出了很多物理、化学、膜过滤等相关的技术。然而，采出水的单位净化成本很高，特别是总溶解固体（TDS）浓度高的废水，处理成本可达35美元/立方米。另一方面，随着全球暖化的加剧和节能减排的推进，煤作为一种廉价的原材料正受到越来越多的关注。煤在高温条件下可发生磺化和氨化反应，形成微滤碳膜去除采出水中的油。然而，煤对无机盐离子的净化则鲜有报道。煤是一种富含官能团的有机材料，可能无需加工就具有直接净化采出水的固有特性。这项研究工作的主要目的是检验美国粉河盆地原生亚烟煤具有同时去除极高浓度 TDS 以及有机物和悬浮固体的假设，评估阳离子和阴离子的去除机制。

研究进展

本文研究的采出水样品的TDS浓度高达152g/L。采出水在重力作用下通过由原生亚烟煤经粉碎过筛制成的填充柱。检测结果显示采出水中的TDS可被煤有效的去除，平均每克煤可去除0.12g的TDS，而且填充柱经稀酸再生后使用不影响TDS去除效果（图1）。

图1. 煤对采出水中高浓度TDS的去除效果。

对煤样的表面性质分析发现在过滤后再生前，煤的表面沉积着大量的无机盐离子。煤样再生后，大部分的无机盐离子检测不到 （图2）。另外，利用N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、甲醇等有机溶剂对煤样进行处理后，发现煤表面的官能团数量降低，对TDS去除能力大幅度削弱，说明煤的表面官能团对TDS的去除起了主要作用。

图2. 煤样过滤后和再生前对比：过滤后煤样表面有大量无机盐离子沉积，再生后大部分无机盐离子消失。

本文作者推测煤具有两性性质（图3）。阳离子的去除是通过离子交换来实现的。煤表面的羧基和羟基等含氢官能团，通过将质子 (H⁺) 与其他阳离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等）交换，使这些阳离子与带负电荷的羟基和羧基官能团结合。阴离子则可能是由于孤对电子和π键发生电子离域形成共振结构吸附而去除。

图3. 煤去除采出水中阴阳离子的可能机理。

未来展望

研究团队认为，煤具有高效去除废水中TDS的能力，并且作为一种廉价的含碳有机原材料，具有继续开发用来净化污水的潜力。另外，对阴阳离子的去除机制是探索性和推测性，仍需要更深入和精密的研究来进行验证。

作者简介

Maohong Fan是美国怀俄明大学工程与应用科学学院教授和佐治亚理工大学土木与环境工程学院客座教授，主要研究方向聚焦在清洁能源和环境保护领域。研究项目受到来自美国NSF, DOE, EPA, USGS and USDA；日本NEDO；联合国UNDP；工业界如西门子、卡特彼勒等的资助，并取得了丰硕的研究成果。在国内外期刊发表论文500多篇，多年来一直是全球高被引学者。