咖啡渣活性炭的制备、表征及吸附性能研究

来源 :广东工业大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:zhangshuai824
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活性炭由于其优异的吸附性能被广泛地应用于环境污染防治等领域,但活性炭原料的品位、价格及供应量制约了其大量生产。前期研究表明,废弃生物质如廉价的植物秸秆、椰壳、可可壳、核桃壳、甘蔗渣、木屑、制浆黑液等可以通过活化并制备出性能优越的活性炭。在众多的生物质中,咖啡渣在全世界的年产量约为960万吨,这些咖啡渣大部分被填埋和焚烧,造成了资源浪费和环境污染。因此,开发新的咖啡渣资源化利用途径被提上议事日程。本论文以咖啡渣为研究对象,以磷酸为活化剂,首先采用响应面试验设计优化了传统活化法(一步法)制备咖啡渣活性炭工艺,并研究了活化时间、活化温度和浸渍比等不同活化参数对咖啡渣活性炭吸附性能的影响。其次提出了两步活化法(两步法)制备咖啡渣活性炭的新工艺,即在真空热解自活化后磷酸辅助活化法制备咖啡渣活性炭,并通过正交试验研究了活化温度、热解压力、升温速率、活化时间和浸渍比等不同活化参数对咖啡渣制备活性炭性能的影响。再次利用扫描电子显微镜(SEM)、全自动比表面及微孔物理吸附分析仪、傅立叶红外光谱仪(FT-IR)等分析手段对两种方法下制备的最优活性炭的表面形貌(SEM)、比表面积(BET)、孔径分布和表面官能团(FT-IR)等性质进行分析表征。最后采用静态吸附试验研究了两种最优活性炭在不同投加量、吸附时间、溶液p H、吸附温度等条件下,两种最优活性炭对模拟废水中浓度为100mg·L-1 Cr(Ⅵ)吸附效果,确定了最佳吸附条件。一步法优化试验研究表明:咖啡渣在活化温度498.1℃、活化时间1.04h、浸渍比1.72wt%条件下制备的活性炭吸附性能(碘吸附值)最佳,此时活性炭活性炭得率为30.4%,碘吸附值为799±16mg·g-1,比表面积为1006m2·g-1,孔容为0.799cm3·g-1、微孔容为0.051cm3·g-1、平均孔径为3.088nm,在最优活性炭投加量为8g·L-1、吸附时间为60min、p H为3.0和吸附温度为15℃条件下,最优活性炭对Cr(Ⅵ)的最大去除率为80%;两步法优化试验研究表明:咖啡渣热解自活化的最佳温度为450℃,在活化温度为600℃、热解压力为-0.02 MPa、升温速率为20℃·min-1、活化时间为30min、浸渍比为1.6 wt%条件下制备的活性炭吸附性能(碘吸附值)最佳,此时活性炭得率为27.1%,碘吸附值为1398.4mg·g-1,比表面积为1420m2·g-1,孔容为0.747cm3·g-1、微孔容为0.428cm3·g-1、平均孔径为2.104nm;在最优活性炭投加量为7g·L-1、吸附时间为80 min、p H为3.0和吸附温度为15℃条件下,活性炭对Cr(Ⅵ)的最大去除率为87%;对比试验研究表明:两步法最优活性炭表面酸性含氧官能团含量较少,但是表面结构复杂,腐蚀坑较多,比表面积较大,微孔比较发达,吸附性能较好。本论文优化了一步活化法制备咖啡渣活性炭工艺,并提出了两步活化法制备咖啡渣活性炭新工艺。两步活化法新工艺即回收了咖啡渣热解油,同时制备出碘吸附值超过国家一级标准(碘吸附值1100mg·g-1)的活性炭,实现了咖啡渣的资源化和高值化应用,具有良好的环境、经济和社会效益。
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