基于咖啡渣制备多孔碳材料及其吸附性能研究

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随着国际社会对环境保护、能源问题的日益重视,加快生物质能源的开发利用逐渐成为全球能源转型的重要战略举措。咖啡渣是一种典型的生物质能源,据国际咖啡组织(International Coffee Organization)统计,全世界每年产生的咖啡渣超过900万吨,在国内大多被直接丢弃,资源利用率低,且会污染环境。因此,咖啡渣的资源化利用逐渐成为研究热点之一。为了对咖啡渣进行综合利用,在制备咖啡渣碳材料之前,利用索氏提取法,以无水乙醇为提取溶剂对咖啡渣中的油脂进行提取。选取料液比、提取温度和提取时间为影响因素,以提油率为评价指标,开展单因素试验,在单因素试验的基础上进行正交实验,优化了咖啡渣油提取的工艺条件。对提油后的咖啡渣进行二次利用,以之为原料制备咖啡渣多孔碳材料。研究采取两种方法制备咖啡渣碳多孔材料,第一种是以为咖啡渣为原材料,以水为反应介质制备咖啡渣水热炭,其中以提油咖啡渣为原料制备的水热炭记为SCG-HTC1,以未提油咖啡渣为原料制备的水热炭记为SCG-HTC2;第二种是以咖啡渣为原材料,采取化学活化法,ZnCl2作为活化剂制备咖啡渣活性炭,其中以提油咖啡渣为原料制备的活性炭记为SCG-AC1,以未提油咖啡渣为原料制备的水热炭记为SCG-AC2。在水热炭制备过程中,探讨了水热温度对咖啡渣水热炭得率的影响。结果显示,同等条件下SCG-HTC1的得率高于SCG-HTC2;在咖啡渣活性炭制备过程中,探讨了浸渍比、活化剂浓度、活化温度、活化时间对咖啡渣活性炭碘值的影响。结果显示,同等条件下SCG-AC2的碘值高于SCG-AC1。在单因素试验参数基础上,选取活化剂浓度、活化温度和活化时间为考察因素,选取响应面法,确定了主要因素对碘值的影响程度,并进一步优化了两种咖啡渣活性炭制备条件。试验得到了四种咖啡渣多孔碳材料制备的最优工况条件,提油咖啡渣水热炭(SCG-HTC1)、未提油咖啡渣水热炭(SCG-HTC2):料液比1:30 g/mL、水热温度225℃、水热时间4 h;提油咖啡渣活性炭(SCG-AC1):浸渍时间24 h、浸渍比1:3.0、ZnCl2浓度30 wt%、活化温度455℃、活化时间60 min,最大碘吸附值690.50 mg/g;未提油咖啡渣活性炭(SCG-AC2):浸渍时间24 h、浸渍比1:2.5、ZnCl2浓度28 wt%、活化温度520℃、活化时间60 min,最大碘吸附值918.97 mg/g。估算了SCG-HTC2、SCG-AC2的制备成本,SCG-HTC2的制备成本约为0.58万元/吨、SCG-AC2的制备成本约为1.95万元/吨,虽然咖啡渣活性炭的制备成本高于咖啡渣水热炭,但其性能较好从而更有可能实现工业化实际利用。制备出的咖啡渣活性炭的比表面积高于市面上大多数的商用活性炭,但制备成本较高限制了其工业化量产。想要使咖啡渣活性炭从实验室制备阶段走向工业生产,需要高效收集咖啡渣原料,还需要在兼顾产品性能的同时降低其制备成本。选取亚甲基蓝(Methylene blue,MB)为目标污染物,将最优条件下制备得到的SCG-HTC1、SCG-AC1、SCG-AC2作为吸附剂,应用到模拟吸附该污染污染物的试验中。探讨了溶液初始浓度、吸附时间、吸附剂投加量以及溶液pH值对去除率的影响。研究结果表明,咖啡渣多孔碳材料对MB的去除率与溶液pH值、吸附剂投加量、吸附时间呈正比;与MB初始浓度呈反比。利用Langmuir等温线模型能够较好地对试验中的数据进行拟合(R~2>0.999),模型计算表明,SCG-HTC1、SCG-AC1、SCG-AC2对MB的单层饱和吸附量为45.07、149.60、223.57 mg/g,与试验结果偏差较小;根据吸附动力学拟合,咖啡渣多孔碳材料对MB的吸附动力学符合准二级动力学方程(R~2>0.999)。试验表明,三种咖啡渣多孔碳材料对MB均有一定的吸附能力,因此以咖啡渣为原料制备活性碳具有一定的可行性,可以实现废弃物的再利用。
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