【摘 要】
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烟梗是烟叶中粗叶脉部分,是烟草加工中重要的副产物。我国每年约有数十万吨的烟梗没有被充分利用而废弃,造成了资源的浪费和环境污染。多孔炭因具有高比表面积、丰富孔道、良好的热稳定性且无毒性等特点,作为吸附剂在水处理、精油和药物包封缓释等方面具有广泛的应用。以烟梗为原料制备多孔炭吸附材料,是实现其高值化利用的有效途径,具有重要的研究意义和应用价值。然而,传统单组分活化剂所制备的多孔炭以微孔为主,更为重要的
【基金项目】
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国家重点研发计划(2018YFB1501503); 国家自然科学基金(21878114); 国家自然科学基金重大项目(21690083); 广东省自然科学基金(2017A030308012); 广东省基金重点项目(2018B030311052); 广东省重点领域研发计划项目(2020B1111380002)
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烟梗是烟叶中粗叶脉部分,是烟草加工中重要的副产物。我国每年约有数十万吨的烟梗没有被充分利用而废弃,造成了资源的浪费和环境污染。多孔炭因具有高比表面积、丰富孔道、良好的热稳定性且无毒性等特点,作为吸附剂在水处理、精油和药物包封缓释等方面具有广泛的应用。以烟梗为原料制备多孔炭吸附材料,是实现其高值化利用的有效途径,具有重要的研究意义和应用价值。然而,传统单组分活化剂所制备的多孔炭以微孔为主,更为重要的是烟梗不溶于水且结构致密,其与活化剂相容性差,导致烟梗炭比表面积较低,极大限制了其吸附性能的提高及工业化应用。本论文采用碳酸钙-草酸钾作为二元活化剂,利用机械球磨预处理法将烟梗粉末与活化剂进行有效复合,制备了高比表面积且孔道可调的烟梗基多孔炭材料。进一步采用SEM、BET、XRD、FT-IR、Raman、TGA等技术手段对其微观形貌及理化性质进行表征,并探究了多级孔道的形成机理。采用恒温静态吸附法研究了其对磺胺二甲基嘧啶(SMZ)和香精的吸附性能,为其在抗生素废水和卷烟加香吸附剂的应用提供基础数据。主要研究内容与结论如下:(1)研究了活化剂种类对烟梗基多孔炭结构的影响。以草酸钾或碳酸钙为单组分活化剂,制备的多孔炭的比表面积和介孔率分别为2299 m~2/g、15.9%和1979 m~2/g、40.4%。当以碳酸钙-草酸钾(质量比为1:1)为二元活化剂时,与单组分活化剂相比,制备的多孔炭比表面积增加(2795 m~2/g)介孔率显著提升(71.4%)。进一步研究了碳酸钙-草酸钾为二元活化剂时,制备工艺参数对多孔炭结构特征的影响。随着球磨时间的增加,多孔炭的比表面积逐渐增大,微孔率减小,介孔率增大。随着炭化温度升高,多孔炭的比表面积和介孔率呈先增大后减小趋势。最优工艺参数为:活化剂为碳酸钙-草酸钾(质量比为1:1),球磨时间为2 h,炭化温度为800℃。所制备的烟梗基多孔炭(PC-Ca-K-800)具有最大的比表面积(2795 m~2/g)和高介孔率71.4%。此外,以紫根水葫芦为原料采用碳酸钙-草酸钾二元活化剂制备了高比表面积(3056 m~2/g)和高介孔率(70%)的分级多孔炭材料,说明该二元活化剂对制备高比表面积、高介孔率的生物质多孔炭具有一定的普适性。(2)研究了不同种类活化剂和炭化温度制备的多孔炭对SMZ的吸附性能。二元活化剂制备的多孔炭的吸附性能优于单组分活化剂,且随着炭化的温度升高其对SMZ的吸附量呈先增大后减小的趋势。上述最优工艺条件下制备的PC-Ca-K-800对SMZ具有最大的平衡吸附容量(852.4 mg/g),当SMZ溶液p H为3-6时,多孔炭具有最大吸附量。等温吸附实验和吸附动力学研究结果表明,PC-Ca-K-800对SMZ的吸附符合Langmuir模型,吸附过程符合伪二阶动力学模型。在温度为318 K时,SMZ溶液初始浓度C0=200 mg/L时,其理论饱和吸附量Qm=1121 mg/g,且10 min左右能快速达到吸附平衡。循环实验表明PC-Ca-K-800具有良好的稳定性和再生性能,经过4次循环吸附量仍可达781 mg/g。(3)研究了不同种类活化剂和炭化温度制备的多孔炭对薄荷醇、己酸烯丙酯、蓝莓、甜橙油香精的吸附性能。二元活化剂优于单组分活化剂,且随着炭化的温度升高多孔炭对四种香精的吸附量逐渐增大。其中以碳酸钙-草酸钾为二元活化剂,温度为900℃制备的多孔炭具有最大的香精吸附能力,对四种香精的吸附量分别为1475 mg/g、1562mg/g、1421 mg/g和1024 mg/g,远超目前常用的分子筛(<100 mg/g)和活性炭(<200mg/g)吸附材料。进一步,研究了不同孔结构参数的多孔炭对香精的保持率。结果表明材料的比表面积越高,香精的保持率越高;当多孔炭具有较高的比表面积时,其微孔率越高,香精的保持率越高。随着炭化温度的升高,微孔率逐渐降低,炭化温度为700℃时制备的多孔炭具有较高的比表面积(2642 m~2/g)和较高的微孔率(18.5%),在敞开与封闭条件下对上述四种香精均具有最高的保持率:封闭条件(35℃,15天)下对薄荷醇、己酸烯丙酯、蓝莓、甜橙油香精的保持率分别为84.5%、67.1%、55.1%和83.4%,敞开环境(25℃,1天)下分别为68.5%、61.4%、58.1%和82.1%。综上所述,烟梗是一种优异的生物质碳源,通过球磨预处理、二元活化剂活化制备的烟梗基多孔炭具有高比表面积、高介孔率的特点,应用于卷烟滤嘴加香和抗生素吸附具有吸附容量高、香精保持率高等优势,在吸附领域具有潜在的应用价值。
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