论文部分内容阅读
环境恶化、资源紧缺和能源危机使人类认识到保护环境、寻找和开发自然资源的重要性和迫切性。棕榈叶鞘纤维(棕榈纤维)在自然界中广泛存在,作为天然的高分子聚合物材料,是一种典型的可再生性生物质资源,充分发挥其潜在性能、开发棕榈纤维制品将是可持续发展的重要课题之一。棕榈纤维作为一种木质纤维,本身具有多孔的结构,且其产量大和易收获,将其制备成活性炭并应用于环境处理具有一定的研究意义。本论文从开发和应用新型天然纤维的角度出发,以棕榈纤维为原料,研究棕榈纤维制备活性炭的活化工艺及其吸附性能和吸附机理。目的在于为这一天然高分子材料开拓更广泛的应用领域,为其在废液、废气处理,保护环境等方面的应用提供有价值的参考依据,为解决环境污染问题提供新的途径,为解决能源紧缺、资源匮乏问题提供原料,具有重大的现实意义。首先将棕榈纤维粉末化,得到棕榈纤维粉末,然后采用氢氧化钾(KOH)活化法制备棕榈纤维基活性炭(PFAC)。选取活化质量比、活化温度、活化时间为因素,以亚甲基蓝(methylene blue,MB)吸附值为评价指标,运用单因素分析和正交实验设计原理,确定制备PFAC的最佳活化工艺参数;通过TG分析,探索了KOH的活化过程;利用SEM、FTIR、XRD、液氮吸附等测试技术,表征了最佳活化条件下制备的PFAC的结构特点;以MB溶液为吸附质,考察了MB溶液初始浓度、吸附时间、溶液温度和pH对PFAC吸附性能的影响;利用Langmuir模型、Freundlich模型和Dubinin-Radushkevieh模型研究了PFAC的吸附等温线类型,评价了其吸附性能,以及利用Lagergren准一级动力学模型、准二级动力学模型和韦伯-莫里斯粒子内扩散模型研究了PFAC的吸附动力学,最后通过公式计算研究了吸附热力学。研究结果表明:(1)正交实验确定了制备具有优良吸附性能的PFAC的最佳活化工艺参数为活化质量比4:1,活化温度850℃,活化时间1.5h。实验各因素对PFAC吸附MB能力的影响大小顺序为:活化质量比>活化温度>活化时间。(2)TG分析探索了KOH的活化过程,在低温阶段(350-580℃)KOH与碳基反应生成氧化钾(K2O)和碳酸钾(K2CO3),产生少量的微孔,起到造孔作用;在高温阶段(800℃以上),K2O和K2CO3继续与碳反应生成K,继续产生微孔,并扩充孔径和孔容,起到扩孔作用。(3)SEM观察得出制备的PFAC具有发达的、分布均匀的孔隙结构。FTIR测试表明,PFAC的表面具有大量的活性基团。液氮吸附测试结果得出PFAC对液氮的吸附等温线类型为I型和IV型的结合,说明PFAC既有微孔又有中孔;BET比表面积为1734.34m2/g,平均孔径为2.28nm,总孔容积为0.96cm3/g。XRD测试表明,PFAC存在较强的结晶化的纤维素结构和较低的石墨化结晶结构。(4)研究发现,增加MB溶液初始浓度,延长吸附时间,PFAC对MB的吸附量增加,最终达到吸附平衡;升高溶液温度,增加pH值均有利于提高PFAC对MB的吸附值。(5)相较于Freundlich和Dubinin-Radushkevieh模型,Langmuir模型能更好地描述PFAC对MB的吸附过程,最大吸附量为384.68mg/g;其吸附动力学符合Lagergren准二级动力学模型,吸附过程属于化学吸附;吸附热力学参数ΔG<0,ΔH>0,ΔS>0,吸附过程为自发进行的吸热反应。