生物质活性炭的制备及性质研究

【摘要】：以农副产品和其他生物质为原料的生物质活性炭因其成本低、易获得、生态友好、可用性好、吸附量大等优点而受到越来越多的关注。同时,因其具有结构稳定、导电性能优良、比表面积高等优势,电化学性能测试表明其具有电极材料的良好潜力。本研究以辣木籽壳、杏仁壳、胡麻籽壳为原料,在不同活化温度(800、900、1000、1100℃)下热解制备生物质活性炭;并以KOH为活化剂对三种生物炭进行活化处理,在相同活化温度下热解制得改性后生物质活性炭。通过N_2吸脱附(BET)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR),对改性前后三种生物炭的结构与性能进行表征与分析。以改性前后辣木籽壳、杏仁壳、胡麻籽壳生物炭为吸附剂,研究不同热解温度、时间、溶液初始pH、离子浓度对生物炭吸附Cu~(2+)性能的影响,并用动力学模型以及等温吸附模型对吸附过程进行拟合,研究生物炭吸附Cu~(2+)的吸附机理。以改性前后生物炭为原料,将其制作成电极,对其进行恒流充放电测试和循环伏安测试,研究不同活化温度下生物炭电极材料的电化学性能。实验结果说明:1.经KOH改性后三种生物炭的比表面积较改性之前明显增大,可知用KOH对生物炭进行改性有助于其孔隙结构的生成;改性前后辣木籽壳、杏仁壳、胡麻籽壳生物炭中主要含有羧基、羟基、羰基等亲水性官能团。XRD测试结果表明,制得的生物炭呈无定形结构,具有典型的类石墨结构。2.经KOH改性后的生物炭对Cu~(2+)的吸附效果较改性之前有明显提高。改性前辣木籽壳、胡麻籽壳生物炭的吸附行为符合Langmuir等温吸附模型,杏仁壳生物炭对Cu~(2+)的吸附效果更符合Freundlich等温吸附模型;改性之后三种生物炭对Cu~(2+)的吸附效果更符合Langmuir等温吸附模型。准二级动力学更接近改性前后辣木籽壳、杏仁壳、胡麻籽壳生物炭对Cu~(2+)的吸附过程。3.电化学测试结果表明,在6 M KOH电解液中,三种生物炭作为电极材料具有良好的电化学性能。经KOH改性后生物炭的比电容值明显高于未改性的生物炭,在0.15 A/g的电流密度下,辣木籽壳、杏仁壳、胡麻籽壳生物炭分别在800、800、900℃下获得最大比电容值,由改性前的447.33、505.83、271.33 F/g提高到改性后的571.09、790.56、825.29 F/g。循环伏安测试结果表明,辣木籽壳、杏仁壳、胡麻籽壳生物炭的循环伏安曲线呈现良好的类矩形形状,表明其具有良好的电容性能。