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微波活化生物质炭制备尧结构与吸附性能研究

冒海燕  
【摘要】:本论文以农林废弃物(松木片、麦秸)为原料,采用微波加热和KOH活化技术制备活化生物质炭,并探索了活化生物质炭的制备工艺参数、碘值、得率、孔隙结构和表面官能团;采用自主设计的吸附-脱附装置进行吸脱附甲苯和丙酮实验,着重研究了KOH/生物质炭配比、甲苯和丙酮的初始浓度、吸附温度等对其吸附量、穿透曲线和吸附等温线的影响,并采用Dubinin-Radushkevich(DR)模型进行拟合。最后,采用微波法再生载甲苯和丙酮的活化生物质炭,探索了微波输出功率、气流流速和增加水蒸汽装置对载甲苯和丙酮活化生物质炭再生速率的影响,并与传统电加热法在加热时间、升温速率、再生效率和能耗等方面进行了对比。 本研究得到的结论归纳如下: (1)以碘值为衡量指标优化的生物质炭和活化生物质炭制备工艺参数:炭化阶段的炭化温度为550℃,升温速率为10℃/min,炭化时间为2h和增加水蒸气装置;微波活化阶段的微波功率600W,微波时间30min,流量为0.5L/min和增加水蒸气装置。生物质炭化物(松木炭和麦秸炭)的得率在23-29%之间,活化生物质炭的得率在72-81%之间。随着KOH/生物质炭配比从0.5增加到3.0,松木活化生物质炭的比表面积从1053m2/g增加到2044m2/g;微孔孔容和总孔容也呈现出了同样的趋势,分别从0.373cc/g增加到0.701cc/g,0.473cc/g增加到0.933cc/g。麦秸活化生物质炭的比表面积也从942m2/g增加到1250m2/g;微孔孔容和总孔容分别从0.319cc/g增加到0.411cc/g,0.419cc/g增加到0.601cc/g。 (2)常温常压下,甲苯和丙酮的初始浓度为200ppmv,不同KOH/生物质炭配比下制备的活化生物质炭具有不同的吸附性能,随着配比的增加,吸附量也随着增加。对于吸附质甲苯,配比从0.5增加到3.0,松木活化生物质炭的吸附量从22.3%增加到47.6%,麦秸活化生物质炭的吸附量从17.1%增加到32.7%。对于吸附质丙酮,松木活化生物质炭的吸附量从15.4%增加到21.7%,麦秸活化生物质炭的吸附量从14.0%增加到17.8%。随着甲苯和丙酮浓度从100增加到300ppmv,活化生物质炭的吸附量增大;对甲苯而言,松木活化生物质炭的吸附量从43.4%增加到51.3%,而麦秸活化生物质炭的吸附量则从20.2%增加到24.4%;两种活化生物质炭对丙酮的吸附量也具有同样的增加趋势。比较6种系列活化生物质炭的穿透曲线形状发现,配比为3.0的松木和麦秸活化生物质炭的曲线最为陡峭,而配比为0.5的松木和麦秸活化生物质炭的曲线最为平缓,因此,穿透时间也越长。在相同浓度下,甲苯的穿透时间比丙酮要长,达到饱和的时间也长,活化生物质炭对其吸附能力较好,饱和吸附量较大。甲苯和丙酮浓度在200ppmv下,当温度从25℃上升到45℃,系列活化生物质炭对甲苯和丙酮的吸附量都明显下降。KOH/生物质炭配比为3.0的松木活化生物质炭和麦秸活化生物质炭对甲苯的吸附量分别从47.6%降到25.0%和32.7%降到19.2%;松木活化生物质炭和麦秸活化生物质炭对丙酮的吸附量分别从21.7%降到15.3%和17.7%降到12.0%。 (3)在常温下测试吸附等温线的结果表明,在相对压力较低的情况下,活化生物质炭的吸附量急剧上升;随着相对压力增大,吸附等温线呈水平或接近水平状,表明其孔隙结构以微孔为主。甲苯和丙酮在活化生物质炭上的吸附量随着KOH/生物质炭配比的增加而增加,配比为3.0的松木和麦秸活化生物质炭对甲苯的吸附量分别达到最大为71.9%和36.2%。松木和麦秸活化生物质炭对甲苯的吸附能力强于对丙酮的吸附能力。松木活化生物质炭对甲苯和丙酮的吸附能力大于麦秸对甲苯/丙酮的吸附能力。不同温度(25、35和45℃)下,甲苯和丙酮在系列活化生物质炭上的吸附等温线表明,甲苯和丙酮的吸附量随着温度的升高而降低,这两种活化生物质炭对甲苯和丙酮吸附等温线的试验数据都能采用Dubinin-Radushkevich模型进行很好地拟合。松木活化生物质炭和麦秸活化生物质炭对甲苯和丙酮吸附等温线拟合DR方程的平均相对误差分别为3.3%(甲苯)、5.0%(甲苯)和4.1%(丙酮)、8.1%(丙酮)。因而,松木活化生物质炭比麦秸活化生物质炭的吸附曲线能更好地拟合DR方程。 (4)微波加热法再生载甲苯和丙酮活化生物质炭,经过5次吸附-微波辐射再生之后,两种活化生物质炭的再生率都达到99.7%以上;对于松木活化生物质炭对甲苯和丙酮的吸附量分别在457.0-455.5mg/g和229.5-231.3mg/g之间变化;对于麦秸活化生物质炭对甲苯和丙酮的吸附量分别在329.0-330.8mg/g和184.1-185.4mg/g之间变化。随着微波输出功率、气流流速和湿氮气的增加,微波加热再生的速率随之增加,最后得出优化微波再生参数为:600W、1L/min和增加湿氮气。在与传统电加热法相比较试验显示,对于再生载甲苯松木活化生物质炭的试验,恒功率微波加热法、恒温微波加热法和电加热法的再生速率分别为:32.9%/min、1.7%/min和0.9%/min;同样对于再生载丙酮松木活化生物质炭的试验,采用以上3种方法测试的再生速率分别为:99.7%/min、5.1%/min和1.7%/min。对比升温速率发现,恒温微波加热法的升温速率为186°C/min,电加热法的升温速率只有9°C/min,由此可见,升温速率越快,再生效率越高。在能耗对比方面,在确保再生率达到99%以上的前提下,微波再生法的能耗为13.5kJ/g,而电加热法的能耗为40.5kJ/g,相当于微波加热法的3倍。比较加热的时间可知,对于载甲苯的松木和麦秸活化生物质炭,恒功率(600W)微波再生法需要的时间最短为3min,其次为恒温(150°C)微波再生法为30min,最长的则是电加热法为120min。对于丙酮,恒功率(600W)微波再生法需要的时间最短为1min,其次为恒温(100°C)微波再生法为10min,最长的则是电加热法为60min。微波再生前后,活化生物质炭的比表面积、孔隙结构和表面官能团并没有明显变化。因此,微波再生法是一种节能、环保、有效的活化生物质炭再生方法,具有工业化应用的良好潜质。


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