几种果壳活性炭的制备及微波催化降解双酚A的比较研究

近年来,微波(MW)催化技术应用于治理水环境污染的研究越来越多.以活性炭(Activated Carbon,简称AC)作为催化剂的微波催化氧化技术更是近年来研究的热点,成为了处理难降解有机废水的新型有效方法.活性炭具有广泛的表面积,高表面活性,和良好的孔径分布.由于AC表面的不均匀性,在微波照射下,溶液中的AC表面会产生许多"热点",这些"热点"的温度比其它部位要高很多,容易发生化学反应.AC吸附的有机污染物在"热点"上发生反应,使得有机污染物被彻底矿化为二氧化碳和水等无机物. 本文采用不同的化学活化剂制备了几种果壳活性炭,应用于MW催化降解目标污染物双酚A(BPA)的研究,考察了微波照射时间,催化剂的用量,微波功率,BPA初始浓度等影响因素对BPA降解率的影响,并比较了几种果壳AC在MW催化诱导过程中的催化活性. 采用ZnCl_2,H_3PO_4和KOH作为化学活化剂制备椰壳AC,比较了不同浸渍比,活化时间和活化温度等因素对制备AC的吸附性能影响.研究了制备的三种AC结合微波诱导催化降解BPA,并比较了三种AC的微波催化性能.结果表明,对总体积25mL,浓度50mg/L的BPA,ZnCl_2-AC,H_3PO_4-AC和KOH-AC,投加量2.0g/L,微波照射2.0min时,降解率可达88.0%,52.2%和41.2%.适当提高微波照射时间,如3.0min时,同样的催化剂加入量降解率即可达到96.4%,79.5%和65.3%.由此可见,ZnCl_2活化法制备出的AC吸附性能最好,最为催化剂结合微波降解BPA的降解率最高. 采用ZnCl_2作为活化剂,制备了核桃壳,椰壳和杏壳活性炭,并进行对比.比较了不同浸渍比,活化时间和活化温度等影响因素下制备的AC的吸附性能.制备的三种AC分别应用于微波诱导催化降解BPA的研究,并比较了三种AC的催化性能.结果表明,对总体积25mL,浓度50mg/L的BPA,核桃壳-AC,椰壳-AC和杏壳-AC的投加量为1.2g/L,微波照射2.0min时,降解率可达86.8%,79.4%和46.5%.适当提高微波照射时间,如3.0min时,同样的催化剂加入量降解率即可达到97.0%,85.1%和57.1%.因此,核桃壳-AC的催化活性最好. 通过对二氧化钛负载AC结合MW(TiO_2/AC/MW)降解有机污染物过程中生成的自由基量进行对比,单AC/MW降解有机污染物过程中会产生少量的羟基自由基(·OH),而TiO_2/AC/MW体系中会产生远远多于AC/MW体系的·OH.同时考察了催化剂的量,微波功率,微波照射时间等影响因素对自由基生成量的影响,并比较了TiO_2/AC/MW体系对五种染料(酸性红B,甲基橙,酸性橙Ⅱ,亚甲基蓝,偶氮品红)的降解效果. 化学活化法可以制备出高品质的果壳活性炭,具有良好的吸附性能.制备的几种果壳活性炭结合微波催化降解有机污染物的技术具有降解速度快,效率高,反应时间短,成本低,无中间产物和无二次污染等优点,适合于水中环境内分泌干扰物双酚A的处理.

秸秆选择性热解制备高品质生物炭及其吸附特性研究

木质纤维素类生物质热解炭化制备炭材料是最具前景的研究方向之一.目前高品质的生物炭主要以椰壳,竹子等特殊生物质为原料,采用廉价,大宗秸秆制备高品质的生物炭是未来发展的趋势.但秸秆种类繁多,何种秸秆适合制备何种性能的碳材料,如何针对性进行品质提升,实现最优化匹配目前研究较少.基于此,本文建立了6类大宗农业废弃物制备的生物炭和典型污染物吸附特性之间的映射关系,针对优选的原料进行改性优化匹配研究,揭示相关吸附机理,获得关键控制因素和最佳制备工艺.具体内容和主要结论如下: 大宗秸秆制备生物炭及其对典型污染物吸附映射关系.以5种大宗秸秆(稻秆,麦秆,棉秆,玉米秆和豆秆)和稻壳为原料,通过慢速热解制备生物炭,探究不同原料对炭产率,不同污染物吸附量的影响,筛选出吸附不同污染物的最佳生物炭.研究表明,豆秆炭的吸附性能最为优异,适用于铜离子,镉离子,铁离子,苯酚和苯胺的吸附;稻秆炭适用于铜离子的吸附;麦秆炭适用于锌离子的吸附;棉秆炭适用于苯酚和苯胺的吸附.以豆秆作为代表,通过对豆秆进行等温吸附研究和动力学研究,探讨豆秆吸附Cd2+和Cu2+的吸附机理.研究表明,豆秆吸附Cd2+和Cu2+的吸附动力学满足准二级动力学方程,吸附吻合Langmuir等温吸附模型,吸附过程吸收热量并可自发进行. 豆秆,麦秆炭选择性活化及其吸附特性.通过映射关系,确定豆秆炭吸附Cd2+和麦秆炭吸附Zn2+.分别利用ZnCl2对豆秆和磷酸对麦秆进行预处理,一步炭化制备高品质炭材料.探究反应温度,时间,改性剂与生物质浸渍等因素对改性生物炭吸附性能的影响.研究表明,在反应温度800℃,时间80min,浸渍比1.5时改性豆秆炭性能最佳,Cd2+吸附量为75.49mg/g,比未改性豆秆炭提升36.12%,吸附动力学满足准一级动力学方程,吸附吻合Langmuir等温吸附模型,吸附过程主要为物理吸附.利用磷酸对麦秆进行改性,研究表明,在反应温度500℃,时间60min,浸渍比1时改性麦秆炭性能最佳,Zn2+吸附量为78.72mg/g,比未改性麦秆炭提升132%,吸附动力学满足二级动力学方程,吸附吻合Langmuir等温吸附模型,吸附过程主要为化学吸附. 稻壳脱灰活化制备活性炭研究.考察了脱灰方法,改性温度,改性时间,水蒸气质量流量对稻壳改性炭理化特性及吸附性能的影响.结果表明,NaOH脱灰预处理后活化制备的改性生物炭的灰分含量为7.25%,明显低于盐酸预处理,生物炭酸洗以及碱洗等方法制备的活性炭,此外,NaOH脱灰预处理大幅提升了活性炭的吸附性能.研究表明,在温度为800℃,水蒸气质量流量为0.7g/min时,稻壳活性炭性能最佳,苯酚的吸附量为118.52mg/g,比表面积增加了约1.5倍,总孔容从0.18cm3/g增加到0.46cm3/g,微孔孔容高达0.108cm3/g.

果壳类生物质炭化及活化结构演变研究

由于生物质资源的碳素丰富,有机氧含量高,结构成分简单及可再生性的特点,是制备高品质活性炭的重要原料.目前,我国高品质活性炭还大量依赖进口,高品质活性炭的制备技术还没有完全掌握.本文利用石榴壳,核桃壳,椰壳三种果壳类生物质为原料,探究活性炭制备过程中的微,介观结构演变规律.实验中,通过炭化时间,升温速率及炭化温度影响因素变化研究炭化过程中生物质结构的演变,通过剂料比,活化时间和活化温度影响因素变化研究活化过程中生物质结构的演变,并通过碘吸附值,亚甲基蓝吸附值,FTIR,Boehm滴定法,SEM,XRD,元素分析对其结构演变过程进行表征及定性,定量分析,研究结果表明:(1)炭化和活化过程中,实验参数因素改变会影响生物质在制备活性碳过程中小孔及中孔的分布变化,时间,温度,升温速率,剂料比对孔结构的影响均存在临界值,当炭化和活化时间为1 h,炭化和活化温度为600℃,升温速率在5-7℃/min范围内,其对应炭化物和活性炭的碘吸附值和亚甲基蓝吸附值较优.(2)炭化和活化过程中碳骨架周围分子基团不断变化,C,H,O,N组成的分子结构一直在进行分解,反应,重构过程,随着实验参数值变大,总体趋势是碳骨架周边的O,H含量不断减少,总酸性基团含量不断减少,C/O,C/(O+N)比值不断增大,炭化物和活性炭的亲水性和极性减小.(3)活性炭的碳骨架是孔结构成形的必要条件,活性炭的碳骨架结构在炭化过程中基本完成,活化过程对其分子碳骨架影响较小,化学活化剂不仅起到增孔,扩孔作用,还参与活化过程反应,改变碳骨架周围分子基团的结合形式.

核壳类生物质微波热解制备高品质生物炭研究

随着能源需求的不断增大,石油资源紧缺和全球气候问题的挑战迫使人们开发更先进的方法来使用生物质资源。微波热解是一种生产优质生物炭的先进技术,该技术不仅可以制备高品质的产品,更重要的是,热解过程绿色环保。在微波场中,热解所需能量以辐射形式传播,区别于传统由外到内的加热技术,该过程具有快速和均匀加热的特点。影响微波热解的因素有很多,包括:反应温度、反应时间、微波功率、反应物类型和微波吸收剂等。本论文使用两种壳类生物质原料制备生物质炭,并对其进行表征分析以及用于重金属吸附研究。实验以椰壳和核桃壳为原料,在不同温度(150,180,200,250,300°C)条件下在管式炉中预处理2小时,然后探究原料在不同微波炭化温度(400,600,800°C)和微波吸收剂(SiC,AC)条件下所得生物质炭的孔隙结构特征,并在600°C、CO_2活化的条件下,进一步探究活化时间(30,50,90,120 min)对所得活性炭品质的影响。研究结果表明,炭化温度的适当升高有助于提高生物质热解炭和活性炭的产率并增大其比表面积。在如下条件下获得的生物炭性能最佳:活化温度600°C,制备时间60 min,活化时间50 min,加热速率10°C/min。该条件下获得椰壳活性炭的比表面积高达1325m~2/g,核桃壳活性炭的比表面积高达1012m~2/g。生物质活性炭用于吸收水溶液中镉离子的实验,首先探究了活性炭用量对吸附过程的影响。结果表明,微波热解椰壳炭对镉离子的去除率达到96.1%,吸附量达到26.70mg/g。微波热解核桃壳炭对镉离子的去除率达到92.5%,吸附量达到25.98mg/g。而活化后的椰壳活性炭对镉离子的去除率达到96.6%,吸附量达到29.73mg/g。活化后的核桃壳活性炭对镉离子的去除率达到95.2%,吸附量达到27.40mg/g。综上所述,椰壳活性炭相比于核桃壳活性炭具有更好的吸附效果。