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烟杆基活性炭的制备及吸附处理重金属废水的研究

张利波  
【摘要】: 针对农林废弃物-烟杆的资源现状、常规活性炭制备工艺存在的系列问题,结合微波加热的特点,本论文提出了微波加热烟杆制备活性炭的新工艺,并进行了活性炭吸附处理重金属废水的研究。通过最佳工艺条件的探索,与常规加热一步炭化法的对比,结构的解析,热解过程以及微波场中升温过程的研究,揭示了微波加热条件下制备活性炭的过程反应机理;将微波加热法制备的活性炭产品应用于重金属废水的处理,研究了活性炭吸附过程的热力学、动力学,分析了吸附过程机理。 本论文确定了常规加热烟杆一步炭化法、微波加热法制备活性炭的工艺流程,系统研究了常规加热和微波加热条件下系列活化剂活化制备活性炭的工艺流程。以氯化锌、磷酸、氢氧化钾为活化剂,常规加热和微波加热为热源,采用正交实验,研究了浸渍时间、活化剂浓度、活化时间、活化温度(或微波功率)对活性炭产品性能(碘吸附值、亚甲基蓝吸附值、得率)的影响规律,得到了最佳工艺条件;以水蒸气、二氧化碳为活化剂,研究了活化剂流量、活化时间、活化温度(微波功率)对活性炭产品性能的影响规律,得到了最佳工艺条件;以烟杆炭化料为原料,氢氧化钾、碳酸钾为活化剂,研究了剂料比、微波加热时间对活性炭产品吸附性能的影响,制备出了高吸附性能的活性炭。研究结果表明,以烟杆为原料制备的活性炭达到了相关的国家标准,微波加热法与常规加热方法相比,流程短、高效、加热时间缩短了61.60-80%。 采用氮吸附法研究了最佳工艺条件下所制备活性炭的孔结构。分析了活性炭样品的吸附等温线,并对其进行了归类,发现使用同样的活化剂,微波加热法所制备活性炭,其吸附等温线的“脱尾”现象没有常规加热一步炭化法的明显,吸附平台的斜率微波加热法的要小;同时采用Dubinin-Astakhov方程对两种方法制备活性炭的Astakhov指数进行了分析,发现二氧化碳做活化剂时,孔径分布最窄;对于氯化锌、氢氧化钾和水蒸气作活化剂制备活性炭时,微波加热法制备活性炭的孔分布较窄;采用Horvath-Kawazoe方程对两种方法制备活性炭的微孔进行了表征,发现采用同样活化剂,微波加热法所制备活性炭的极微孔所占比例较大;采用Density Functional Theory对两种方法制备活性炭的全孔分布(0.35-300nm)进行了表征,发现采用微波加热法制备活性炭的微孔比例较大。综上,孔结构的研究表明,采用同样的活化剂,微波加热法所制备活性炭的微孔结构发达,中孔、大孔含量较小。 采用X衍射、SEM、TEM研究了活性炭的微观结构。由X衍射图谱分析可得,活性炭样品是一种非晶态炭材料,同石墨相比其d_(002)减小,L_c也减小;微晶尺寸最小是二氧化碳活化制备的活性炭,微晶尺寸最大的是磷酸活化常规加热法制备的活性炭,这与氮吸附表征的孔结构结论是一致的。通过SEM照片可以看出,采用化学活化剂,烟杆的基本结构遭到了破坏,微观结构较为复杂,而采用物理活化剂,烟杆的纤维结构被保留了下来;通过TEM照片观察到了纳米级的孔径,验证了氮吸附等温线和X衍射分析的结果,证明了制备活性炭中含有微孔、中孔和大孔。 采用热分析仪测定了烟杆和浸渍化学活化剂烟杆的热解曲线,分析了热解过程,计算了热解的动力学参数,结果表明浸渍活化剂后的烟杆活化能显著降低,炭得率明显升高;测定了氯化锌、磷酸、浸渍氯化锌等活化剂的烟杆在微波场中的升温曲线,并分析了升温的过程,得到了升温速率方程;最后结合最佳工艺参数和活性炭结构的研究,揭示了微波加热法制备活性炭的内在规律和反应机理。发现微波加热化学法中存在“物理活化”过程,与常规加热显著不同。 以微波加热烟杆氯化锌活化制备的活性炭为原料,进行了含铅、含铜重金属废水的吸附处理系统实验研究。研究了振荡时间、活性炭投加量、pH、温度和溶液初始浓度对重金属脱除率的影响,得到了最佳工艺条件;应用Van't Hoff方程对吸附的热力学参数进行了计算,采用Langmuir和Freundlich吸附等温式对不同温度下获得的吸附平衡数据进行了分析,活性炭吸附铅、铜的Langmuir极限吸附量分别为10.6577、8.0887mg/g;采用准二级固液相吸附动力学模型分析了实验结果,并得到了该模型的初始吸附速率和速率常数,发现准二级动力学模型能更好地描述吸附过程;分析了吸附机理,研究了吸附的控制步骤,结果表明,发现活性炭吸附重金属(铅、铜)离子在所测定的浓度范围内,均为膜扩散控制,这与国外的相关报道有较大区别,表明采用微波氯化锌法制备的活性炭拥有合理的孔径结构,非常适合重金属废水的吸附处理。 总之,本论文提出了微波加热烟杆制备活性炭新工艺,新工艺对烟杆进行资源化利用,可减少环境污染、提高附加值、拓宽活性炭生产的原料来源,为农林废弃物的资源化开辟了新的途径;新工艺充分利用微波加热的优点,可有效解决常规活性炭生产工艺中存在的缺点,开发出成本低、质量稳定、达到国家一级品或优级品标准的活性炭产品,进一步提升我国活性炭产品的档次;将所得产品用于处理重金属废水,对实现有色会属工业的治污利废、发展循环经济具有重要的意义。


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