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《吉林大学》 2004年
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稻壳基多孔炭的物理化学性能表征及应用的研究

齐菊锐  
【摘要】:作为一种吸附材料,多孔炭因具有大的比表面积和发达的孔隙结构, 对多种物质有很强的吸附能力,所以用途广,需求量大,近年来倍受关注。 但用传统方法制得的活性炭的比表面积一般小于1000m2/g,利用有机聚合物的碳化及高温活化制得的活性炭纤维的比表面积也只有1500m2/g,远不能达到同益发展的环保、电子、医药、化工和军事等领域的需要,故高比表面积多孔炭的研制与丌发己成为国内外科技工作者研究的热点之一。 目前,稻壳基多孔炭作为电极材料及在吸附材料领域的应用尚未见报 导。而我国是世界上稻谷产量最高的国家,约占世界稻谷产量的1/3以上, 稻壳资源丰富,但利用程度很低,大部分作为废物丢弃或作低级燃料。若 能将稻壳有效的加以利用,变废为宝,就能带来更大的经济效益,同时为 社会创造更多的财富。本文采用一系列的物理化学方法对稻壳基多孔炭进 行表征,并系统的研究了多孔炭对重金属离子、酚类化合物、碘分子的吸 附性能,为稻壳基多孔炭在环保、电池、吸附科学及化学修饰电极等领域 的应用提供了可靠的理论和实践指导意义。 首先,考察了稻壳基多孔炭的双电层电容,双电层电容的测定所采用 的方法是正反阶跃的计时电位法,恒电流为5×10-8A,通过记录电压0~ WP=132 1.0v间的V—t曲线,双电层电容的计算公式如下:C=2×I/Slop,(电解池中用两个相同的电极串联,所以有因子2),斜率通过最小二乘法拟合得到,考虑到避免活性炭表面官能团及电解质电化学效应,拟合电压范围选择0—0.7V,结果表明:就双电层电容而言,多孔炭的孔隙分布等是非常重要的因素,通过与市售高性能多孔炭的对比,发现稻壳基多孔炭的双电层电容比市售两种要大得多,使用氢氧化钠在750。C活化30分钟制备的多孔炭电双层电容可以达到210F/g,因此,以NaOH为活化剂制备的稻壳基多孔炭作为新型具有大双电层电容的电极材料,是比较理想的。通过拟合,我们得到双电层电容的大小与多孔炭的比表面积的相关关系。由于多孔炭的数量有限,因此关于稻壳基高比表面积多孔炭的电双层电容性质与孑L隙结构,表面性质以及与电解质的种类的关系有待于进一步深入研究。 其次,通过研究稻壳基多孔炭对几种典型的物质吸附性能的研究,对 稻壳基多孔炭的应用进行丌发。出于决定吸附容量的因素很多,如多孔炭 的表面性质、孔隙结构、吸附体系的温度、酸度等,发达的孔隙结构通过 物理吸附、特殊的表面结构通过化学吸附与吸附质发生作用,因此不同的 多孔炭对不同的吸附质的吸附性能需要详细的探讨。吸附物质包括无机金 属离子(Ag+、Cu2+)、无机阴离子(Cr2072-)、中性分子(I2)和酚类化合物 (对、间、邻苯二酚),采用的方法分别为原子吸收光谱分析法、分光光度 法和电化学方法。 对酚类化合物的吸附,随着温度的升高吸附量增加,以化学吸附 为主,因此吸附容量主要依靠吸附质与吸附剂之间的化学作用,温度 的增加可以增强它们之间的作用,同时可以增强吸附质在孔隙问的扩 散,我们采用室温20℃进行测量,平衡时间未20min,在pH小于6 WP=133 的酸性体系中吸附量没有太大的变化,当pH大于8时,吸附量几乎 为零。多种炭对酚类化合物的吸附研究结果表明:多孔炭对酚类化合 物的吸附主要是由外表面的化学特性而决定,由于多孔炭的表面还有 Carboxylic(羧基)和Lactonic(内脂基)表面官能团,可以和酚类化合物 形成氢键,Carboxylic和Lactonic的量越大,吸附量越大。N1具有最大量的羧基和内脂基,所以对酚类化合物N1有最大的吸附容量. 对、间、邻苯二酚在稻壳基多孔炭上的吸附依次逐渐增大,同时碱性 官能团越多,吸附容量越大。这是由于多孔炭对酚类化合物的吸附过程受 酚环上的л电子与多孔炭的л电子相互作用的影响,表面碱性官能团增 多,增大了多孔炭表面的л电子密度,从而增大了л--л电子的相互作 用力,多孔炭对邻苯二酚的吸附量最大,这可能是由于多孔炭与邻苯二酚 发生了物理吸附即:多孔炭邻苯二酚的酚环如同一个中性分子嵌入多孔炭 的孔隙结构,所以吸附容量增大。 选用稻壳基多孔炭N3对Ag+及Cu2+的吸收进行研究,我们发现,决定吸附量的因素很多,如多孔炭的表面性质、孔隙结构、吸附体系的温度、酸碱度等,发达的孔隙结构与通过物理作用吸附金属离子,多孔炭分子中的羟基(一0H)等表面功能团与金属离子形成稳定的螯合物,故能产生化学 吸附,多孔炭对金属离子的吸附机理主要为为水合离子与活性炭发生键合 作用以及孔隙度两者起决定性作用,体系在pH=4~5,平衡时间4~5小 时,这种吸附剂对无机金属离子(Ag+及Cu2+)是一种兼有物理吸附和化学 吸附作用的优良性能的的吸附剂。 对铬酸根的吸附.主要表现为化学吸附,随着温度的升高吸附量增加, 体系酸度为pH值小于5,平衡时间为2小时,同时发现,并不是比表面积 越高吸附量越大,而是表面官能团对铬酸根的吸附有着直接的影响,图4.5 WP=134 为表面官能团中的碱性基团、羧基、内脂基三者的加和、吸附量分别对不 同的稻壳基多孔炭上作图,可以看出两者的趋势一致。这是因为铬酸根可 以与这?
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