基于机械力化学作用下草酸钾法活性炭的研究及其对铜离子的吸附作用

摘要

机械力化学技术是机械能直接参与或引发化学反应的一种新思路，其作用原理是利用机械力作用于固体物质的机械能诱导材料的组织、结构和性能产生变化，诱发化学反应的进行，以制备新材料或对材料进行改性处理。机械力化学技术具有使物料颗粒细化、改善颗粒分布均匀性、提高粉末表面活性、降低系统反应活化能等作用，采用该方法进行活性炭制备是一种新尝试。
　　本文以杉木屑为原料，草酸钾为活化剂，研究了基于机械力化学作用的活性炭制备方法。通过单因素试验和响应面分析方法，考察主要活化工艺参数对活性炭得率及其吸附性能的影响，并确定活性炭制备的较优工艺条件。采用Design-Expert统计软件，建立活性炭制备过程的模型，依据建立的模型对活性炭的制备工艺进行优化，可得：以活性炭得率为目标值的较优工艺条件为活化剂比0.11，球磨时间31.10min，活化时间81.51min，可预测活性炭得率为26.27%；以碘吸附值为目标值的较优工艺条件为：活化剂比为0.46，球磨时间为55.37min，活化时间为119.17min，可得预测碘吸附值为1364.63mg/g；以亚甲基蓝吸附值为目标值的较理想工艺条件为：活化剂比为0.38，球磨时间为59.03min，活化时间为115.73min，可得预测亚甲基蓝吸附值为367.63mg/g。
　　通过孔隙分析仪、红外分析、电镜扫描等手段表征活性炭的孔结构、表面官能团及表观形貌等特征，为活性炭的应用提供理论依据。基于机械力化学作用，以草酸钾为活化剂制备的活性炭具有较高比表面积，可达1345.45 m2/g；其N2吸附-脱附等温线属于Ⅰ型，孔径分布主要集中在1nm左右。
　　通过对物料的颗粒粒径、晶体结构等进行表征分析，以探讨机械力化学技术与活性炭制备工艺之间的关系及作用机理。在机械球磨过程中，杉木屑颗粒被粉碎，晶体结构发生破坏。随球磨处理时间的延长，颗粒粒度减小，晶体结构无定形化，这些效应有利于活性炭制备的炭活化，有助于提高活性炭吸附性能。
　　重金属毒性大，在环境中易被别生物富集且不易代谢，严重污染环境，也会严重威胁人类的生活和健康。本文以Cu2+为模型污染物，采用活性炭吸附法，选用了若干种活性炭为吸附剂，考察了几种因素（Cu2+初始浓度、pH值、活性炭用量及吸附时间）对其吸附去除效果的影响，从中筛选出性能优良的吸附剂。并对活性炭去除铜离子的吸附动力学进行模拟（静态吸附实验法），为活性炭用于含重金属离子废水的处理提供科学依据。研究表明，以杉木屑为原料，基于机械力化学作用下草酸钾活化法制备的活性炭对Cu2+具有最佳的吸附性能。随Cu2+初始浓度的增大，活性炭吸附量最大可达33.53mg/L；对含20mg/L Cu2+的溶液最佳吸附条件为pH≈6，活性炭投加量为3g/L，吸附120min即可达吸附平衡状态。基于机械力化学作用下草酸钾活性炭对铜离子的等温吸附过程符合Langmuir模型。其除铜的吸附动力学过程可用准二级动力学模型进行模拟，其拟合方程式为：

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第一章 绪论

1.1 活性炭概述

1.2 机械力化学概述

1.3 重金属废水处理的研究现状

1.4 本课题的研究意义、内容、方法和技术路线1.4.1 本课题的研究意义

1.5 主要创新点

第二章 基于机械力化学作用下草酸钾法活性炭的制备研究

2.1 实验材料与方法2.1.1 实验原料与试剂

2.2 单因素实验及其结果分析

2.3 响应面分析法优化机械力化学作用下草酸钾法活性炭的制备工艺

2.4 本章小结

第三章 基于机械力化学作用下草酸钾法活性炭的表征及机械力化学效应

3.1 实验仪器

3.2 基于机械力化学作用下草酸钾法活性炭的表征分析3.2.1 活性炭的孔结构表征

3.3 基于机械力化学作用的机械力化学效应

3.4 本章小结

第四章 基于机械力化学作用下草酸钾法活性炭对铜离子的吸附作用

4.1 实验材料和方法

4.2 实验过程4.2.1 溶液配制

4.3活性炭对铜离子的吸附作用

4.4 基于机械力化学作用下的草酸钾法活性炭对铜离子的吸附动力学模拟

4.5 本章小结

第五章 结论及展望

5.1基于机械力化学作用下草酸钾法活性炭工艺研究的小结

5.2 基于机械力化学作用下草酸钾法活性炭的表征及机械力化学效应的小结

5.3基于机械力化学作用下草酸钾法活性炭对铜离子吸附作用的小结

5.4 建议与展望

参考文献

攻读硕士学位期间学术成果

致谢