蘆竹活性炭的制備、表征及吸附性能研究.pdf

1、本研究以生物質(zhì)資源-蘆竹為原料，焦磷酸為活化劑制備活性炭。首先優(yōu)化了常規(guī)加熱和微波加熱下活性炭的制備條件，明確了兩種加熱方式下制備活性炭的最佳參數(shù)，對(duì)比研究了常規(guī)加熱和微波加熱下兩種活性炭的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)和吸附行為，然后結(jié)合吸附質(zhì)的特點(diǎn)，對(duì)活性炭進(jìn)行無(wú)機(jī)和有機(jī)改性，調(diào)控其孔徑結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)，增加對(duì)目標(biāo)污染物的親和性，提高吸附效果。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、比表面測(cè)定儀、傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)、X-射線衍射儀(XRD)

2、和X-射線光電子能譜(XPS)分析等現(xiàn)代分析手段對(duì)蘆竹活性炭的結(jié)構(gòu)形貌、比表面積和孔徑、表面官能團(tuán)和元素含量等性質(zhì)進(jìn)行分析表征，采用靜態(tài)實(shí)驗(yàn)方法，在不同的pH、溫度、投加量、時(shí)間和其它共存離子條件下，考察蘆竹活性炭對(duì)水體中污染物的吸附性能，結(jié)合上述性質(zhì)分析和表征結(jié)果，研究蘆竹活性炭與吸附質(zhì)之間的構(gòu)效關(guān)系，并明確吸附機(jī)理。本研究對(duì)于蘆竹的資源化利用及蘆竹活性炭應(yīng)用于不同性質(zhì)廢水的處理提供理論指導(dǎo)。
　　選擇蘆竹為原料，焦磷酸為活化劑

3、，普通加熱法制備活性炭。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)考察了劑料比、浸漬時(shí)間和活化溫度對(duì)活性炭產(chǎn)品得率、比表面積和孔容的影響，篩選出制備活性炭的最優(yōu)條件，通過(guò)SEM、氮?dú)馕矫摳綄?shí)驗(yàn)和XPS分析對(duì)最優(yōu)活性炭進(jìn)行表征，通過(guò)土霉素(OTC)吸附試驗(yàn)考察最優(yōu)條件下制備的活性炭的吸附性能。結(jié)果表明當(dāng)溫度大于400℃時(shí)，活性炭比表面積開(kāi)始大幅度增加，最大比表面積在600℃時(shí)取得，最大孔容在500℃時(shí)取得;在劑料比為0.4時(shí)，比表面積可達(dá)到1150.69m2/g，

4、孔容可達(dá)0.59m3/g，隨著劑料比的增加，比表面積和孔容也逐漸增加，在劑料比為0.75時(shí)，比表面積達(dá)到最大，在劑料比為1.0時(shí)，孔容達(dá)到最大值;隨著浸漬時(shí)間的延長(zhǎng)，比表面積和孔容均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在浸漬時(shí)間為5h時(shí)，比表面積達(dá)到最大值，在浸漬時(shí)間為10h時(shí)，總孔容達(dá)到最大值。與磷酸作為活化劑時(shí)相比，焦磷酸的使用量較少，得到的活性炭介孔含量更多，更加適合于對(duì)大分子污染物的去除，在20℃，對(duì)OTC的最大吸附量為534.8mg/g。

5、
　　采用微波加熱法制備了蘆竹活性炭。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)考察輻射功率、輻射時(shí)間和劑料比對(duì)活性炭得率、比表面積和孔容的影響。通過(guò)表面形態(tài)分析、氮?dú)馕矫摳綄?shí)驗(yàn)和吸附試驗(yàn)對(duì)最優(yōu)活性炭性質(zhì)進(jìn)行表征。結(jié)果表明隨著輻射功率的增加，蘆竹活性炭的比表面積和孔容均呈現(xiàn)先上升后趨于下降的趨勢(shì)，在700W時(shí)達(dá)到最大值，當(dāng)輻射功率過(guò)低時(shí)，所達(dá)到的溫度不足以使蘆竹原料完全活化，當(dāng)輻射功率增加到一定值時(shí)，蘆竹原料能夠活化完全，形成發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，比表面積增加，

6、當(dāng)輻射功率過(guò)高時(shí)，導(dǎo)致反應(yīng)過(guò)快，反應(yīng)溫度過(guò)高，部分孔被燒蝕，造成比表面積降低?；钚蕴康谋缺砻娣e和孔容均隨著劑料比的增加而增加，當(dāng)劑料比達(dá)到0.75時(shí)，比表面積達(dá)到最大值，當(dāng)劑料比超過(guò)0.75時(shí)，造成比表面積的降低。隨著輻射時(shí)間的增長(zhǎng)，蘆竹活性炭的比表面積和總孔容呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在輻射時(shí)間為15min時(shí)達(dá)到最大值。綜上，微波加熱法制備蘆竹活性炭的最佳制備條件為:輻射功率700W，輻射時(shí)間為10min，劑料比為0.75。此時(shí)，活性炭

7、得率為56.1％，比表面積高達(dá)1568m2/g，微孔比表面積為631m2/g，外比表面積為936m2/g，孔容為1.08m3/g，微孔孔容為0.28m3/g，外孔容為0.80m3/g。
　　在前兩章節(jié)的基礎(chǔ)上，采用氮?dú)馕?脫附試驗(yàn)、傅里葉紅外光譜分析和貝姆滴定等多種手段對(duì)比研究了兩種加熱方式下活性炭的物理化學(xué)性質(zhì)和對(duì)環(huán)丙沙星的吸附性能。氮?dú)馕?脫附試驗(yàn)表明微波炭具有較大的比表面積;傅里葉紅外光譜分析和貝姆滴定結(jié)果表明普通炭表面

8、的酸性含氧官能團(tuán)含量明顯高于微波炭，微波加熱減少了活性炭表面的酸性官能團(tuán)含量，增加了pHpzc。吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在20℃時(shí)，普通炭和微波炭對(duì)環(huán)丙沙星吸附量分別為321.07mg/g和300.35mg/g，雖然微波炭具有較大的比表面積，但對(duì)環(huán)丙沙星(CIP)吸附量卻較低，這主要是由于微波炭表面含氧官能團(tuán)較少，負(fù)電性較弱，對(duì)CIP靜電吸引較弱導(dǎo)致的。由于存在靜電斥力的作用，初始溶液pH太高或者太低對(duì)環(huán)丙沙星的吸附都不利，在3.2-8.2范

9、圍內(nèi)，吸附量最大。兩種活性炭對(duì)CIP的吸附均符合偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和Langumuir吸附等溫模型。吸附等溫線擬合結(jié)果表明該吸附為單分子層吸附，吸附過(guò)程以物理吸附為主，熱力學(xué)參數(shù)表明該吸附過(guò)程是一個(gè)放熱自發(fā)的過(guò)程，溫度升高不利于吸附的進(jìn)行。
　　采用磷酸為活化劑，F(xiàn)eCl3、MnCl2和AlCl3作為輔助活化劑制備了蘆竹活性炭，并考察其對(duì)溶液中Cr(Ⅵ)的去除效果。結(jié)果表明FeCl3、AlCl3和MnCl2作為輔助活化劑制備的活性炭

10、均可提高對(duì)溶液中Cr(Ⅵ)的吸附效果，MnCl2作為輔助活化劑制備的活性炭具有最大的比表面積(1332m2/g)和最大的孔容(1.060cm3/g);AlCl3的加入不利于活性炭孔的生成，此時(shí)活性炭比表面積和孔容分別為992m2/g和0.688cm3/g，F(xiàn)eCl3的加入對(duì)活性炭的比表面積影響很小，但增加了活性炭的介孔含量，降低了活性炭的微孔含量，增加了活性炭的孔容。溶液中三價(jià)鉻和六價(jià)鉻的比值及XPS分析結(jié)果了證實(shí)Cr(Ⅵ)在吸附過(guò)程中

11、的轉(zhuǎn)化過(guò)程。共存離子吸附結(jié)果顯示溶液中的正電荷極易被吸附到表面帶負(fù)電的活性炭吸附后，中和了活性炭表面的負(fù)電性，因此，有利于對(duì)帶負(fù)電荷的鉻酸根的吸附。
　　采用環(huán)氧氯丙烷、N，N-二甲基甲酰胺、二乙烯三胺以及三乙胺對(duì)活性炭進(jìn)行了改性(AC-EDT)研究，重點(diǎn)考察了改性對(duì)活性炭性質(zhì)及吸附性能所產(chǎn)生的影響。XPS分析結(jié)果表明氨基成功的接枝到活性炭表面，對(duì)帶負(fù)電的鉻酸根具有更好的親和作用。與改性前吸附平衡時(shí)間為10h相比，AC-EDT對(duì)C

12、r(Ⅵ)的吸附速度更快，10min即可達(dá)到平衡，且AC-EDT對(duì)鉻酸根具有更好的吸附效果。AC對(duì)鉻酸根的吸附以孔吸附為主，當(dāng)強(qiáng)氧化性的Cr(Ⅵ)吸附到活性炭表面后，與活性炭表面能提供電子的C=C、C=O反應(yīng)，自身還原為Cr(Ⅲ);而對(duì)于AC-EDT，吸附機(jī)理以靜電吸引為主，當(dāng)Cr(Ⅵ)快速吸附到表面后，同樣發(fā)生氧化還原反應(yīng)。
　　本研究利用資源豐富的蘆竹為原料制備出了優(yōu)質(zhì)活性炭，并通過(guò)輔助活化和改性，從孔徑分布和表面性質(zhì)兩個(gè)方面對(duì)