芦竹活性炭的制备、表征及吸附性能研究

【摘要】本研究以生物质资源-芦竹为原料,焦磷酸为活化剂制备活性炭。首先优化了常规加热和微波加热下活性炭的制备条件,明确了两种加热方式下制备活性炭的最佳参数,对比研究了常规加热和微波加热下两种活性炭的物理结构、化学性质和吸附行为,然后结合吸附质的特点,对活性炭进行无机和有机改性,调控其孔径结构和表面化学性质,增加对目标污染物的亲和性,提高吸附效果。采用扫描电子显微镜(SEM)、比表面测定仪、傅里叶红外光谱仪(FT-IR).X-射线衍射仪(XRD)和X-射线光电子能谱(XPS)分析等现代分析手段对芦竹活性炭的结构形貌、比表面积和孔径、表面官能团和元素含量等性质进行分析表征,采用静态实验方法,在不同的pH、温度、投加量、时间和其它共存离子条件下,考察芦竹活性炭对水体中污染物的吸附性能,结合上述性质分析和表征结果,研究芦竹活性炭与吸附质之间的构效关系,并明确吸附机理。本研究对于芦竹的资源化利用及芦竹活性炭应用于不同性质废水的处理提供理论指导。选择芦竹为原料,焦磷酸为活化剂,普通加热法制备活性炭。通过单因素实验考察了剂料比、浸渍时间和活化温度对活性炭产品得率、比表面积和孔容的影响,筛选出制备活性炭的最优条件,通过SEM、氮气吸附脱附实验和XPS分析对最优活性炭进行表征,通过土霉素(OTC)吸附试验考察最优条件下制备的活性炭的吸附性能。结果表明当温度大于400℃时,活性炭比表面积开始大幅度增加,最大比表面积在600℃时取得,最大孔容在500℃时取得；在剂料比为0.4时,比表面积可达到1150.69m2/g,孔容可达0.59m3/g,随着剂料比的增加,比表面积和孔容也逐渐增加,在剂料比为0.75时,比表面积达到最大,在剂料比为1.0时,孔容达到最大值；随着浸渍时间的延长,比表面积和孔容均呈现先增加后降低的趋势,在浸溃时间为5h时,比表面积达到最大值,在浸渍时间为10h时,总孔容达到最大值。与磷酸作为活化剂时相比,焦磷酸的使用量较少,得到的活性炭介孔含量更多,更加适合于对大分子污染物的去除,在20℃,对OTC的最大吸附量为534.8mg/g。采用微波加热法制备了芦竹活性炭。通过单因素实验考察辐射功率、辐射时间和剂料比对活性炭得率、比表面积和孔容的影响。通过表面形态分析、氮气吸附脱附实验和吸附试验对最优活性炭性质进行表征。结果表明随着辐射功率的增加,芦竹活性炭的比表面积和孔容均呈现先上升后趋于下降的趋势,在700w时达到最大值,当辐射功率过低时,所达到的温度不足以使芦竹原料完全活化,当辐射功率增加到一定值时,芦竹原料能够活化完全,形成发达的孔隙结构,比表面积增加,当辐射功率过高时,导致反应过快,反应温度过高,部分孔被烧蚀,造成比表面积降低。活性炭的比表面积和孔容均随着剂料比的增加而增加,当剂料比达到0.75时,比表面积达到最大值,当剂料比超过0.75时,造成比表面积的降低。随着辐射时间的增长,芦竹活性炭的比表面积和总孔容呈现先上升后下降的趋势,在辐射时间为15min时达到最大值。综上,微波加热法制备芦竹活性炭的最佳制备条件为：辐射功率700w,辐射时间为10min,剂料比为0.75。此时,活性炭得率为56.1%,比表面积高达1568m2/g,微孔比表面积为631m2/g,外比表面积为936m2/g,孔容为1.08m3/g,微孔孔容为0.28m3/g,外孔容为0.80m3/g。在前两章节的基础上,采用氮气吸附/脱附试验、傅里叶红外光谱分析和贝姆滴定等多种手段对比研究了两种加热方式下活性炭的物理化学性质和对环丙沙星的吸附性能。氮气吸附/脱附试验表明微波炭具有较大的比表面积；傅里叶红外光谱分析和贝姆滴定结果表明普通炭表面的酸性含氧官能团含量明显高于微波炭,微波加热减少了活性炭表面的酸性官能团含量,增加了pHpzc。吸附实验结果表明,在20℃时,普通炭和微波炭对环丙沙星吸附量分别为321.07mg/g和300.35mg/g,虽然微波炭具有较大的比表面积,但对环丙沙星(CIP)吸附量却较低,这主要是由于微波炭表面含氧官能团较少,负电性较弱,对CIP静电吸引较弱导致的。由于存在静电斥力的作用,初始溶液pH太高或者太低对环丙沙星的吸附都不利,在3.2-8.2范围内,吸附量最大。两种活性炭对CIP的吸附均符合伪二级动力学模型和Langumuir吸附等温模型。吸附等温线拟合结果表明该吸附为单分子层吸附,吸附过程以物理吸附为主,热力学参数表明该吸附过程是一个放热自发的过程,温度升高不利于吸附的进行。采用磷酸为活化剂,FeCl3、MnCl2和AICl3作为辅助活化剂制备了芦竹活性炭,并考察其对溶液中Cr(VI)的去除效果。结果表明FeCl3、AICl3和MnCl2作为辅助活化剂制备的活性炭均可提高对溶液中Cr(VI)的吸附效果,MnCl2作为辅助活化剂制备的活性炭具有最大的比表面积(1332m2/g)和最大的孔容(1.060cm3/g);AlC13的加入不利于活性炭孔的生成,此时活性炭比表面积和孔容分别为992m2/g和0.688cm3/g,FeCl3的加入对活性炭的比表面积影响很小,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。溶液中三价铬和六价铬的比值及XPS分析结果了证实Cr(Ⅵ)在吸附过程中的转化过程。共存离子吸附结果显示溶液中的正电荷极易被吸附到表面带负电的活性炭吸附后,中和了活性炭表面的负电性,因此,有利于对带负电荷的铬酸根的吸附。采用环氧氯丙烷、N,N-二甲基甲酰胺、二乙烯三胺以及三乙胺对活性炭进行了改性(AC-EDT)研究,重点考察了改性对活性炭性质及吸附性能所产生的影响。XPS分析结果表明氨基成功的接枝到活性炭表面,对带负电的铬酸根具有更好的亲和作用。与改性前吸附平衡时间为10h相比,AC-EDT对Cr(VI)的吸附速度更快,10min即可达到平衡,且AC-EDT对铬酸根具有更好的吸附效果。AC对铬酸根的吸附以孔吸附为主,当强氧化性的Cr(VI)吸附到活性炭表面后,与活性炭表面能提供电子的C=C、C=O反应,自身还原为Cr(Ⅲ);而对于AC-EDT,吸附机理以静电吸引为主,当Cr(VI)快速吸附到表面后,同样发生氧化还原反应。本研究利用资源丰富的芦竹为原料制备出了优质活性炭,并通过辅助活化和改性,从孔径分布和表面性质两个方面对活性炭性质进行调控,提高了活性炭的选择性,拓宽了芦竹活性炭的应用范围。该研究不仅节约了煤炭资源,也为芦竹的利用寻找到一个合理的出路,实现了其资源化、高值化和商品化。该研究具有一定的环境、经济和社会效益。
【作者】孙媛媛；
【导师】岳钦艳；
【作者基本信息】山东大学，环境工程，2014，博士
【关键词】芦竹；活性炭；焦磷酸；微波加热；调控；吸附；

【参考文献】
[1]尚啸.三色堇F3’H的克隆分析及ANS、DFR启动子的克隆[D].海南大学,园林植物与观赏园艺,2014,硕士.
[2]刘秦岭.基于高光谱遥感的疑似隐藏目标检测研究[D].哈尔滨工业大学,信息与通信工程,2014,硕士.
[3]王建芳.网络引文信息的挖掘及其对数字图书馆资源建设的启示[D].山西大学,图书馆学,2004,硕士.
[4]沈有信,赵春燕.持久性土壤种子库种子萌发的个体竞争能力会衰减吗?——以紫茎泽兰为例[J].植物生态学报,2012,08:754-762.
[5]徐嬴颖.云下载系统的理论模型与存储资源分配算法研究[D].北京交通大学,2014.
[6]李鹏飞.基于数据仓库、数据挖掘技术的电子政务建设[J].现代电子技术,2004,04:1-3.
[7]马鑫.中部崛起战略背景下湖北资源综合利用研究[D].湖北工业大学,产业经济学,2014,硕士.
[8]王红军.防御性现实主义的安全观及其对中国安全战略的启示[D].河南大学,马克思主义理论与思想政治教育,2004,硕士.
[9]张宣,丁俊山,刘彦伶,顾艳,韩科峰,吴良欢.机插配合控释掺混肥对水稻产量和土壤肥力的影响[J].应用生态学报,2014,03:783-789.
[10]刘国强.功能性含氟聚合物微球的制备及性能研究[D].湖北大学,材料学,2012,硕士.
[11]柯海森,汪晓燕,陈彭年.基于反推法的永磁同步电机全局自适应控制[J].控制与决策,2009,12:1912-1916.
[12]孙鹏.我国公民文化权利的宪法保护研究[D].湖南师范大学,宪法学与行政法学,2013,硕士.
[13]李英博.HR集团房地产项目营销策略研究[D].黑龙江大学,工商管理,2013,硕士.
[14]黄伟,熊军,徐祥海,吴汕,甘德强.考虑配电网电压调节的分布式电源准入功率极限计算[J].电力系统自动化,2007,14:43-46+56.
[15]黄金霞.汉语事件流行语的认知研究[D].华中师范大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[16]王小杰,印兴耀,吴国忱.基于叠前地震数据的地层Q值估计[J].石油地球物理勘探,2011,03:423-428+500+327.
[17]付小红.三类小波求超奇异积分的近似值[D].燕山大学,计算数学,2013,硕士.
[18]夏祥林.我国农村房屋流转法律问题研究[D].苏州大学,法律,2012,硕士.
[19]耿雪莹.建筑物（群）对雷电电磁环境的影响[D].南京信息工程大学,雷电科学与技术,2012,硕士.
[20]于长洋,李俊源,彭伟,姚春燕,洪艳,袁振飞.种植义齿缓冲单元材料特性对缓冲效果的影响[J].中国口腔种植学杂志,2014,01:18-21.
[21]崔怀磊.基于DSP全数字光伏并网逆变器的三电平控制策略研究[D].山东大学,电力电子与电力传动,2013,硕士.
[22]胡德佳.股票期权激励制度的基本法律问题研究[D].对外经济贸易大学,法律,2004,硕士.
[23]杨姣.移动Ad Hoc网络中虫洞攻击检测方法的研究[D].湖南大学,软件工程,2011,硕士.
[24]叶佑丕.LFY与AP1蛋白的泛素化调控机理研究[D].厦门大学,植物学,2014,硕士.
[25]衷其昌,冯蓉生.江苏地方地震工作业绩量化评析[J].地震学刊.1994(02)
[26]刘思呈.汉代女性长袖舞研究[D].中国艺术研究院,舞蹈学,2014,硕士.
[27]卫秦芝.有机硒麦硒康治疗地方性砷中毒疗效的初步观察[D].山西医科大学,卫生毒理学,2002,硕士.
[28]杨成.知母总皂苷对老年大鼠学习记忆的改善作用及机制研究[D].辽宁医学院,药理学,2012,硕士.
[29]赵鑫.SiC增强铌基复合材料制备及其塑性变形研究[D].哈尔滨工业大学,材料加工工程,2013,硕士.
[30]丁国强.基于Lucene的蒙古文全文检索系统研究与实现[D].内蒙古师范大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[31]张巍巍.美制成超快高敏石墨烯光电探测器[N].科技日报,2012-06-06002.
[32]朱予攀.民众评价视域下的社会谣言问题研究[D].上海社会科学院,马克思主义哲学,2012,硕士.
[33]董祖康.发掘现有工业锅炉潜力实现热电联供[J].北京节能.1991(04)
[34]朱青.恒大女子排球运动队管理现状与特征研究[D].河北师范大学,体育教学,2012,硕士.
[35]郭娜.影响高校大学生运动员比赛成败归因的因素特征及训练[D].吉林大学,体育人文社会学,2013,硕士.
[36]丁利.基于图聚类的第四方物流系统中若干问题的研究[D].山东师范大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[37]王楠.胸廓出口综合征的病因学研究[D].吉林大学,临床医学,2014,硕士.
[38]周革忠.回采工作面瓦斯涌出量预测的神经网络方法[J].中国安全科学学报.2004(10)
[39]胡江洪,詹超.数据挖掘中决策树算法的研究及其改进[J].计算机与信息技术,2005,09:17-19.
[40]赵琦.中国上市公司资产规模扩张的绩效研究[D].西北大学,会计学,2013,硕士.
[41]樊利芳.谐振子与氢原子的关系及其教学研究[D].华南师范大学,物理课程与教学,2004,硕士.
[42]金宇.当代大学生理想信念教育研究[D].沈阳师范大学,思想政治教育,2013,硕士.
[43]石聪聪.父母供子女单倍型造血干细胞移植治疗恶性血液病疗效分析[D].郑州大学,内科学,2013,硕士.
[44]曹李竹.基于现场总线的微机监测信号发生系统的研究[D].北京交通大学,2014.
[45]荣月.巨额财产来源不明罪若干问题探析[D].吉林大学,刑法学,2004,硕士.
[46]崔静.汉语高级阶段报刊阅读课教学设计[D].吉林大学,汉语国际教育（专业学位）,2013,硕士.
[47]薛强.澳柯玛营销渠道设计及策略研究[D].西北大学,工商管理（专业学位）,2012,硕士.
[48]沈晨鸣.数据仓库教学中的几个问题[J].常州工学院学报,2002,04:85-87.
[49]刘慧君,洪泳.新常态下我国外贸发展的思考及建议[J].宏观经济管理,2015,02:73-75.
[50]赵菲.沈阳基于交通环境承载力的汽车保有量研究[D].辽宁大学,统计学,2012,硕士.