白酒糟活性炭的制备及其吸附性能研究

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活性炭具有发达的孔隙结构和良好的耐酸、碱性及耐热稳定性,是一种优质的功能材料,在食品加工、医药卫生、环境保护和化工等领域具有广泛的应用。长期以来,煤基活性炭在我国一直占据主导地位。近年来,随着全球能源和环境问题的日益突出,生物质资源化利用越来越受到科研工作者的广泛关注,其中以生物质为原料制备活性炭是研究热点之一。轻工发酵行业的工艺过程中副产大量的发酵残渣,其产量大且集中,富含木质纤维素,是典型的生物质资源。同时,这些生物质残渣中含水量高,呈弱酸性,易腐烂变质,是潜在的环境污染源。本研究以固态发酵酿酒过程中副产的白酒糟为典型原料,通过制备碳基多孔功能材料(活性炭)以实现其高质化利用,该研究工作对于发酵行业发展循环经济和节能减排具有重要的现实意义。文中分别采用物理活化法、物理-化学活化法、化学活化法制备活性炭,系统考察了炭化温度、活化温度、活化强度(活化剂相对原料炭化料用量和活化时间)以及活化方法等制备因素对材料吸附性能的影响规律,得到活性炭制备的最佳操作条件。采用N2吸附对目标产物的比表面积、孔体积、平均孔径进行了表征。利用扫描电镜测定了原料、炭化料和活性炭产品的形貌特征。采用X射线衍射仪分析了中间产物和目标活性炭产物在不同制备条件下的碳质微晶结构的变化规律。所得研究结果如下:(1)以白酒糟为原料进行炭化的最佳温度为450℃,且炭化温度低时,炭化料的收率较高。(2)以白酒糟为原料,采用水蒸气活化法制备活性炭的最佳工艺参数:水蒸气流量0.04g/min·g炭化料,活化温度800℃时所得活性炭产物的碘吸附性能最佳,其值为580.9mg/g,产物比表面积和孔体积分别为371.6m2/g,0.34cm3/g,活化温度850℃时具有最佳的亚甲基蓝吸附性能,其值为98.7mg/g,产物比表面积和孔体积分别为323.8m2/g,0.32cm3/g;采用C02活化法制备活性炭的最佳工艺参数:CO2流量12mL/min·g炭化料,活化温度850℃时所得活性炭产物的碘吸附性能最佳,其值为547.8mg/g,产物比表面积和孔体积分别为313.8m2/g,0.24cm3/g;活化温度950℃时具有最佳的亚甲基蓝吸附性能,其值为60.5mg/g,产物比表面积和孔体积分别为337.1m2/g,0.25cm3/g。(3)将炭化料通过碱处理后物理活化或物理活化产物进一步碱处理,均可显著降低目标产物中灰分的含量,炭化料碱处理后进一步活化制备活性炭的碘吸附值提高为853.9mg/g,亚甲基蓝吸附值为128.4mg/g,产物比表面积和孔体积分别为553.8m2/g,0.61cm3/g;经物理活性制备的活性炭再进行碱处理后所得产物的碘和亚甲基蓝吸附值分别为760.0mg/g,162.0mg/g,产物比表面积和孔体积分别为622.9m2/g,0.67cm3/g。(4)以白酒糟为原料,采用化学活化法以KOH作为活化剂制备的活性炭比物理活化、NaOH、ZnCl2、H3PO4活化所得产物具有更好碘和亚甲基蓝吸附性能。综合考虑活化效果、活化成本以及对环境的影响最佳工艺条件为KOH与炭化料的质量比为1:1,活化温度为850℃,活化时间为1h,所得活性炭产物的碘和亚甲基蓝吸附值分别为1206.7mg/g,324.7mg/g,比表面积和孔体积分别为1248m2/g,0.75cm3/g。概括而言,采用物理活化法制备的活性炭比表面积和孔体积较小,吸附性能较差,但其制备工艺较简单,操作费用较低,适用于常规的水处理;物理-化学活化法制备的活性炭比表面积、孔体积以及对碘和亚甲基蓝吸附值有较大提高,其中碱处理具有明显的扩孔效应,孔径分布较集中。同时,通过控制碱处理溶液的浓度和用量,可副产工业水玻璃,降低综合成本,制备材料不仅可用于废水脱色脱臭,还可通过后续加工制备高价值脱硝和脱硫用催化剂;化学活化法采用KOH为活化剂制备活性炭,可比常规的化学活化法大幅度减少活化剂的用量,所制备活性炭表现出优异的吸附性能,该法可制备高品质碳基多孔材料。
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