高比表面积椰壳活性炭的制备及其应用

以活性炭AC为原料,采用CO2活化法制备高比表面积活性炭,通过控制尾气中CO2含量间接控制活化反应速率,测试了以产品活性炭为电极材料的双电层电容器的充放电性能及循环伏安特性,并测定了以产品活性炭为吸附剂的CO2,CH4,N2,O2和H2的298K吸附等温线.实验结果表明,在控制尾气中C02含量小于10%,活化28h,所得活性炭(AC-28)比表面积为2587m^2/g,总孔容为1.47cm^3/g,较原料活性炭AC的相应数值分别提高33%和62%,以AC-28为电极材料的双电层电容器具有良好的充放电性能,电极比电容达171F/g,作为吸附剂,活陛炭AC-28对CO2的吸附量远远大于CH4,O2,N2和H2,具有吸附分离COJN2,CO2/O2及CO2/空气气体混合物中CO2的潜力.

椰壳—污泥复合活性炭的制备及其对模拟废水中Cr(Ⅵ)吸附的研究

城市污水厂产生的大量剩余污泥一直是环境污染治理关注的焦点问题,污泥的资源化利用是一种较理想的处置方式,以城市污水处理厂污泥为原料,添加椰壳提高炭含量,采用"两步法"高温炭化活化制备椰壳-污泥复合活性炭,以改善"一步法"炭化活化产物孔隙结构不够发达的缺陷,经单因素实验以及响应曲面实验确定最佳制备条件:椰壳添加量50%,炭化温度为500 ℃,炭化45 min,氢氧化钾浓度2.5 mol · L-1,浸渍比1:1.5,浸渍时间20 h,活化温度800 ℃,活化时间为60 min,制备出的椰壳-污泥复合活性炭碘值为698.37 mg · g-1,产率为47.5%.采用元素分析,比表面积和孔隙结构分析,红外光谱分析,热重分析,X射线衍射分析,扫描电镜(SEM+EDS)对比"两步法"椰壳-污泥复合活性炭(ACtwo),"一步法"椰壳-污泥复合活性炭(ACone)和污泥活性炭(SAC)的物化性质,结果表明ACtwo炭含量为63.14%,是典型的介孔材料,比表面积为583.82 mg·g-1总孔容积0.33 cm2·g-1,微孔容积0.16 cm2·g-1,微孔比例48.48%,平均孔径2.79 nm,孔隙分布范围较广,大孔,中孔和小孔交错分布,孔隙分布不均匀,孔隙结构和比表面积均优于ACone和SAC.三种炭材料表面基本含有C=O键,C=C键,-OH,-NH2,C-O键,Si-O键等官能团,含有大量的Si,Al,Fe,Cl,K,Ca,Mg元素,在高温下稳定性较强.重金属浸出实验表明,相较于城市污水处理厂污泥,椰壳-污泥复合活性炭重金属铜,锌,铬,镉,铅,镍的浸出浓度均降低,且浸出浓度均低于《危险废弃物鉴别标准浸出毒性鉴别标准》(GB5085.3-2007)和《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中最高排放限值,所以椰壳-污泥复合活性炭无环境污染无风险.将椰壳-污泥复合活性炭用于模拟废水中Cr(Ⅵ)的吸附,最佳吸附条件:溶液pH值为2.15,椰壳-污泥复合活性炭添加量为2 g·L-1,40 ℃下吸附时间超过3 h以达到吸附平衡.Cr(Ⅵ)在椰壳-污泥复合活性炭上的吸附过程符合拟二级动力学模型,其吸附行为不仅与溶液中Cr(Ⅵ)浓度有关,而且受温度影响明显;颗粒内扩散模型研究表明颗粒内扩散和膜扩散共同作用.吸附等温研究表明,Feundlich等温模型更适合于解释Cr(Ⅵ)在椰壳-污泥复合活性炭上的吸附,1/n在0.1-0.5范围内,故该吸附过程易于进行,活性炭吸附能力较强.考虑为非均质多层吸附,且可能物理吸附与化学吸附并存,饱和吸附量达到了 202.54 mg·g-1吸附热力学研究表明,椰壳-污泥复合活性炭吸附Cr(Ⅵ)是自发吸热的过程.椰壳-污泥复合活性炭对Cr(Ⅵ)有突出的吸附能力,一次再生后的椰壳-污泥复合活性炭的吸附量达到173.47 mg·g-1,再生率为85.6%,二次再生的吸附剂的再生率仍然高于70%,能够满足实际应用需求.

粉末椰壳炭制备高强度成型柱状颗粒活性炭研究

以椰壳活性炭生产过程中产生的粉末碎炭(以下称碎炭)为原料,羧甲基纤维素钠(CMC-Na)为黏结剂,硅酸盐为增黏剂,按一定质量比混炼,挤条,成型,再经过热处理制得柱状颗粒活性炭,并考察了不同的工艺条件对产品炭的碘吸附值,亚甲基蓝吸附值和耐磨强度的影响.随着硅酸盐添加量的增加,颗粒活性炭的耐磨强度呈增大趋势;随热处理温度的升高,颗粒活性炭的碘吸附值和亚甲基蓝吸附值不断增加,耐磨强度增强;另一方面,随热处理时间的延长,耐磨强度呈逐渐下降趋势.利用红外分析仪和热重分析仪对颗粒活性炭进行分析.在CMC-Na用量2%,硅酸盐添加量20%,热处理温度350°C,热处理时间0.5h条件下,制备出的柱状颗粒活性炭碘吸附值,亚甲基蓝吸附值和耐磨强度分别为815.37mg/g,163.50mg/g和99.72%,并且具有良好的耐水能力.

水蒸气活化制备竹质成型活性炭及其对二硫化碳的吸附性能

竹材是重要的林业可再生资源,以竹材代替木材制备活性炭可节省大量木材。以竹粉为原料,经磷酸活化成型后进行水蒸气二次活化,在不同工艺条件下制备了高吸附性能活性炭。通过碘吸附值、亚甲基蓝吸附值、N_2吸附-脱附等温线、二硫化碳动态吸附量等对所制活性炭的性能进行表征。结果表明:在磷酸浸渍比1.2∶1、活化时间20 min、活化温度450℃,水蒸气活化温度875℃、活化时间1 h、流量3.0 m L/min条件下,制得的活性炭BET比表面积为1 264.60 m~2/g、总孔容积为1.227 cm~3/g、平均孔径为3.88 nm、碘吸附值为1 452.96 mg/g、亚甲基蓝吸附值为307.5 mg/g、强度为91.76%、得率为30.42%;在动态干燥和30%相对湿度条件下,对二硫化碳的单位质量吸附量分别为0.416和0.390 g/g。活性炭对CS2的吸附能力主要与活性炭的孔结构有关,微孔发达、平均孔径小、碘吸附值高的活性炭更有利于CS2的吸附。由于竹材表观密度相对较低,且受到竹材自身组分的限制,所制活性炭的强度低于椰壳活性炭。

块体椰壳活性炭的制备及其在低温冷凝板中的应用研究

聚变能是一种清洁高效的能源,在"碳达峰,碳中和"的大背景下,核聚变已成为一个重要的研究方向.中国在磁约束聚变方面的研究位于世界前列,且开展了 中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)的设计研究工作.CFETR是一个大型真空设备,而低温泵输系统是CFETR的重要组成部分之一.低温泵输系统的主要功能是在等离子体运行过程排出由氢同位素,氦灰和各种杂质气体组成的等离子体废气,从而维持等离子体放电所需的动态真空度.低温泵内设有用超临界氦冷却到4.5K温度的低温板,对于沸点高于液氦的气体,低温板可以使泵抽气体凝结,从而实现抽气目的,然而CFETR所需泵抽气体中含有氦气,氦气无法在氦冷的低温板上冷凝,因此需要在低温板上加上吸附材料,通过将气体吸附在吸附材料的多孔结构中,进而实现氦气的泵抽.椰壳活性炭因其优异的吸附性能和大存储容量已成为低温泵所需吸附材料的首选材料,已有研究者选择使用环氧树脂等有机粘结剂为成型剂通过涂覆工艺制备低温板表面吸附层,但托卡马克聚变堆排出气体中含有大量的氚,氚会在泵输系统运行过程中对吸附层中的有机聚合物产生一定的辐照损伤.无机粘结剂相比于有机粘结剂具有优异的抗辐照稳定性,但其韧性较差,在低温环境下容易导致吸附层脱落.本文选择无机粘结剂作为主要活性炭成型粘结剂,通过在无机粘结剂中添加少量柔性聚氨酯的方法制备椰壳活性炭吸附层,在保证活性炭吸附层的抗氚辐照性能的同时,改善了活性炭吸附层的抗热震性能.论文主要包含四个方面的内容:1)块体椰壳活性炭的制备技术研究;2)活性炭吸附层与冷凝板金属基材界面性能研究;3)低温板上活性炭吸附层导热性能研究;4)活性炭吸附层低温吸附性能研究.第一部分主要内容为:以无机粘结剂作为主要成型剂,通过在无机粘结剂中添加少量柔性聚氨酯的方法制备块体椰壳活性炭.将成型剂中添加了柔性聚氨酯的样品与不添加柔性聚氨酯的样品进行了物理性能的对比,研究了成型剂含量与活性炭吸附层比表面积和抗压强度之间的关系.第二部分主要内容为:研究了成型剂含量对活性炭吸附层粘接强度的影响,并对粘附有活性炭吸附层的低温板进行了热震循环实验,探索出相对合适的聚氨酯在成型剂中的质量占比,同时证明了在成型剂中添加聚氨酯后活性炭吸附层抗热震性能的优越性.第三部分主要内容为:结合实验与数值模拟的方法对低温板上活性炭吸附层的导热性能进行研究,重点参数为活性炭吸附层的热扩散系数,比热容和导热系数,分析了活性炭吸附层的导热性能与温度,成型剂含量之间的关系.补足了新型活性炭吸附层的基础导热性能数据,并将数值模拟结果与实验结果相对比,从而建立了合理的活性炭吸附层热导率的数值模拟分析方法.第四部分主要内容为:对吸附过程中的理论抽速进行了计算,并在此基础上研究了活性炭吸附层在低温条件下对氢气与氦气的吸附性质,并对两者吸附结果进行对比分析.