稻草秸秆基活性炭的制备与应用

【摘要】： 本论文以农业废弃物——稻草秸秆为原材料制备活性炭,研究稻草秸秆基活性炭的制备工艺及其表面物理化学性质的表征,并将该活性炭应用于模拟废水处理而检验其吸附性能。 研究稻草秸秆基活性炭的制备工艺过程中,我们首先确定活化稻草的活化剂,从五种活化剂(KOH、H_3PO_4、ZnCl_2、K_2CO_3、(NH_4)_2HPO_4)中选择出(NH_4)_2HPO_4。实验表明(NH_4)_2HPO_4活化制备的活性炭具有较大的碘吸附值和最高的得率,产品能维持活化前的性状,所以认为(NH_4)_2HPO_4适于活化稻草秸秆。利用热失重分析,推测(NH_4)_2HPO_4活化稻草的反应为: 4C+2(NH_4)_2HPO_4→4CO_2↑+3H_2↑+4NH_3↑+2P 然后采用三种不同的预处理方法处理稻草秸秆,即样品先在空气中氧化再浸渍活化剂称为RN-1;样品只浸渍活化剂无氧化过程的称为RN-2;样品先浸渍活化剂后再氧化的称为RN-3。最后将预处理后的样品在500℃、600℃、700℃和800℃下分别活化制得稻草秸秆基活性炭。对产品的表征发现:先浸泡后预氧化处理后且在700℃下活化的样品既有最大的比表面积和孔体积。 对在700℃下的样品RN-1、RN-2和RN-3进行表面物理化学性质的表征,研究预处理条件对于活性炭表面性质的影响。应用XRD对其石墨晶体结构进行表征;应用元素分析研究其碳化程度;应用N_2吸附-脱附等温曲线、扫描电镜对其表面物理性质进行表征;应用FTIR、Boehm滴定法和等电点测定对其表面化学性质进行表征。结果表明,预氧化处理会改变材料的比表面积和产品表面的含氧基团含量。其中,先浸渍后预氧化的RN-3样品的比表面积(1078 m~2/g)与孔体积最大,先预氧化后浸渍的RN-1(358.5 m~2/g)的比表面积和孔体积最小,相对于未经预氧化处理的RN-2(603.8 m~2/g),应该是预氧化阻碍了活化剂与稻草的反应。电镜照片在活性炭的表面没有发现大孔的存在,但显示了预氧化处理会使稻草秸秆的表面发育出一定的孔结构。样品表面含氧基团的存在通过FTIR得以验证,随后我们用Boehm滴定具体测定了含氧化学基团的含量(包括酸性基团和碱性基团)。等电点的测定实验证明,随着氧化程度加深,样品酸性基团的含量增加,RN-3具有最大含量的酸性基团,RN-1略高于RN-2。Boehm滴定于此结论相同,滴定结果也表明酸性基团多的样品碱性基团相应的小,碱性基团大小顺序为RN-2＞RN-1＞RN-3。 选用700℃下制备的活性炭样品RN-1、RN-2、RN-3应用于模拟废水中氨氮、苯酚和亚甲基蓝的吸附,其中氨氮的吸附量非常小,说明活性炭在液相中的吸附种类主要为物理吸附,而氨氮分子在水中呈离子状态,因此吸附量小。吸附动力学研究显示,活性炭吸附苯酚和亚甲基蓝符合拟二级动力学方程。先浸泡后预氧化处理的RN-3具有最大的苯酚吸附量(187.7 mg/g);先预氧化后浸渍的RN-1和RN-3具有相近的最大的亚甲基蓝吸附量(分别为161 mg/g和166mg/g);而两者的苯酚吸附量差别较大(RN-1为157 mg/g,RN-3为187 mg/g)。吸附平衡实验结果表明,对苯酚的吸附都符合Langmuir模型的描述,对亚甲基蓝的吸附过程RN-1更符合Langmuir模型而RN-2和RN-3更符合Freundlich模型。以上结果表明孔结构和比表面积是影响活性炭吸附能力的主要因素。Gibbs自由能和表面活化能的计算结果也告诉我们除RN-3对亚甲基兰的吸附可能含有化学吸附外,其它均为物理吸附。 【关键词】：稻草秸秆 活性炭 热重分析 磷酸氢二铵 吸附
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TQ424.1
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-11
• 第1章 绪论11-29
• 1.1 引言11-12
• 1.2 各种吸附材料的研究进展12-16
• 1.3 活性炭生产与发展现状16-20
• 1.4 活性炭的应用20-24
• 1.5 我国秸秆资源的利用现状24-27
• 1.6 研究目的与内容27-28
• 1.7 创新点28-29
• 第2章 稻草秸秆活性炭制备的研究29-46
• 2.1 前言29-30
• 2.2 制备实验30-34
• 2.3 结果与讨论34-45
• 2.4 本章小结45-46
• 第3章 活性炭的表面物理化学性质46-66
• 3.1 前言46
• 3.2 实验部分46-49
• 3.3 结果及讨论49-64
• 3.4 本章小结64-66
• 第4章 活性炭的吸附应用66-88
• 4.1 前言66-67
• 4.2 实验器材和药品67-69
• 4.3 液相吸附69-84
• 4.4 简单的气体吸附研究84-86
• 4.5 本章小结86-88
• 第5章 活性炭吸附后的回用及成本核算88-90
• 5.1 活性炭的回用实验88-89
• 5.2 成本核算89-90
• 第6章 总结与展望90-93
• 6.1 总结90-91
• 6.2 创新点91
• 6.3 展望91-93
• 参考文献93-101
• 攻读学位期间发表的学术论文101-102
• 致谢102

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