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生物质资源制备高品质活性炭的研究

杨娟  
【摘要】:活性炭由于具有发达的孔结构和大的吸附容量,因而被广泛应用于水处理、气体过滤、超级电容器、催化载体等方面。制备活性炭的原料来源广泛,几乎所有的含碳物质都可用于制备活性炭。随着能源危机与环境问题的日益严重,近年来,生物质作为一种廉价易得且大量存在的资源已受到各国研究者的广泛关注。以生物质资源为原料制备活性炭,不仅可以降低活性炭的生产成本,同时可以解决生物质资源被当做燃料使用或被烧掉而导致的环境污染问题。本文以生物质杉木屑、核桃壳和中药渣为原料,在国内首次采用真空化学活化法,以氯化锌为活化剂,制备了微孔活性炭和中孔活性炭吸附材料。结果表明,杉木屑、核桃壳和中药渣均是制备活性炭的理想原材料。 文中对比了真空条件下与常压条件下制备的活性炭,解释了真空条件能够提高活性炭性能的原因。探讨了体系压力对活性炭孔结构的影响,结果显示活性炭的比表面积在体系压力为30kPa时存在最大值。此外,活性炭的孔径分布与体系压力密切相关,随着体系压力的增大,活性炭的微孔比率逐渐下降而中孔比率逐渐升高。 活化温度和剂料比是氯化锌活化制备活性炭过程中最重要的两个影响因素。本文详细讨论了真空条件下活化温度和剂料比对活性炭孔结构和吸附性能的影响。结果表明,真空氯化锌活化制备活性炭的最佳活化温度为450℃,低于一般常压氯化锌活化的温度。此外,研究了亚甲基蓝在所得活性炭表面的吸附行为,测定了活性炭对亚甲基蓝溶液的实际吸附效果。 为了得到具有高比表面积的中孔活性炭,本文在使用真空化学活化的基础上用0.5mol/L的NaOH对原料进行预处理。结果表明,真空和碱处理条件均有利于活性炭比表面积和孔体积的提高。用碱处理后的原料,采用真空条件下活化,在450℃、剂料比为2.5时,所得活性炭的比表面积为1952m2/g,总孔体积为1.479cm3/g,中孔比率高达98%。 此外,选用Doehlert设计安排实验,在合适的范围内,对影响氯化锌活化法最重要的两个因素活化温度和浸渍比进行了优化。结果表明,在实验条件范围内,对于所有的响应,活化温度的影响均大于浸渍比,且两者对活性炭产率的影响都不大。得到的最优条件为活化温度474℃,浸渍比1.225,在此条件下制得活性炭的亚甲基蓝值和碘值分别为316 mg/g和994 mg/g,与理论模型计算值非常接近。和普通商品活性炭相比,用本实验方法制备的活性炭具有更好的实际吸附效果。


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