竹篼基活性炭制备及吸附研究

来源 :南京林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liuj_csip
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人类社会一方面面临着日益严峻的环境问题,另一面资源短缺问题也时刻困扰着社会发展。在我国竹材作为一种储量丰富的天然生物质资源而被广泛使用,但伴随竹林砍伐,林地将会残余大量竹篼,对其辅以活化、炭化、改性等工艺,将竹篼制备成多孔吸附材料,这将在改善大气、治理污染中发挥积极作用。本研究将以农林生物质加工剩余物竹篼为原料,利用正交实验探究以3种化学药剂(NaOH、HNO3、ZnCl2)作为活化剂,综合考量活性炭制备过程中不同活化温度温度、活化时间及活化剂物料比对竹篼基活性炭吸附性能影响,进而确定最优制备工艺。实验采用以下主要现代分析仪器,采用用孔径分析仪测定活性炭的比表面积和孔径结构、利用傅里叶变换红外光谱分析活性炭主要官能团数目和类型变化、采用扫描电镜(SEM)分析其微观形貌、同时采用X射线衍射和X射线光电子能谱分析等进行特征峰。在静态实验方法下分析讨论了4种吸附质溶液中不同pH值和活性炭添加量对竹篼基活性炭吸附性能的影响;通过吸附实验数据建立起竹篼基活性炭对4种吸附质的吸附模型,将竹篼基活性炭的微观表征参数同吸附模型进行整合,探讨了竹篼基活性炭对4种吸附质的吸附机理,为竹篼的资源化利用及有效增强竹篼基活性炭对废液中金属离子和有机污染物吸附性能提供理论模型指导。针对负载氨基的改性竹篼基活性炭为研究对象,研究了氨基改性竹篼基活性炭定向吸附气体污染物CO2的性能。本论文的主要结论如下:(1)竹篼相较于竹材其它部位及常用生物质原料,是一类含碳量较高的原料。以竹篼基活性炭碘吸附值为优化目标值,确定了竹篼基活性炭以氢氧化钠为活化剂,在活化温度设定为700℃、活化时间为120min、物料比1.5时有较高的吸附值;以硝酸为活化剂,在活化温度设定为700℃、活化时间为90min、物料比2.0时有较高的吸附值;以氯化锌为活化剂,在活化温度设定为700℃、活化时间为90min、物料比为1.5时有较高的吸附值。三种活化条件对吸附性能影响程度均为:活化温度>物料比值>活化时间。(2)以NaOH为活化剂制备的竹篼基活性炭吸附液相金属离子的性能强于酸性活化、盐活化方式制备的活性炭,使用NaOH活化剂将增大竹篼基活性炭表面含氧官能团的数目与类型,尤其-OH的含量增加最为显著。当活性炭在室温条件下,吸附废液中pH值4时,对液相金属离子的吸附性能最佳,其中对Cu2+的吸附值为8.708mg/g,Zn2+的吸附值为10.04mg/g。通过吸附动力学实验及吸附平衡实验理论分析可得,竹篼基活性炭对金属离子Cu2+及Zn2+的吸附模型符合Lagergren准二级吸附动力学模型,证明了竹篼基活性炭对液相金属离子的吸附过程是一类以掺杂有多种综合过程的化学吸附过程。(3)以HNO3为活化剂制备的竹篼基活性炭对于吸附质为有机物(苯酚、亚甲基蓝)时吸附性能最佳,竹篼经物料比值为1.5的HNO3活化后在700℃温度下热解90min制备出的活性炭拥有高比表面积和发达的孔隙结构。其中对废液中苯酚吸附值为237.36mg/g,亚甲基蓝吸附值为213mg/g。通过吸附动力学实验及吸附平衡实验理论分析可得,竹篼基活性炭吸附废液中苯酚和亚甲基蓝分子的模型符合Langmuir模型准一级动力学吸附理论模型,上述吸附实验表明竹篼基活性炭的孔隙结构发达程度和比表面积的大小是决定竹篼基活性炭吸附液相有机物分子的重要因素,且硝酸活化的竹篼基活性炭的有机物分子吸附过程中主要为物理吸附。(4)在室温和1atm条件下,两种活化剂(NaOH、HNO3)制备的负载氨基竹篼基活性炭M和E的二氧化碳的吸附量分别0.1929mmol/g、0.1575 mmol/g;在改性工艺下制备的氨基化改性竹篼基活性炭对CO2吸附性能大幅提高;氨基化改性竹篼基活性炭通过5次吸附—脱附循环实验后二氧化碳吸附性能未发生显著下降。氨基化改性竹篼基活性炭吸附等温曲线依然为Ⅳ型,以中孔为主,但比表面积和孔容减小,平均孔径变大。
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