高木质素废弃物制备CH4/CO2分离功能性吸附材料及其选择性吸附的试验研究

摘要

本研究以高木质素废弃物糠醛渣为原料，通过磷酸活化制备CH4/CO2分离功能性活性炭。首先，运用正交试验优化了糠醛渣活性炭磷酸活化法的制备条件，建立了活性炭比表面积、最可几孔径与制备条件之间的数学关系式及等值线图。其次，采用扫描电子显微镜(SEM)、比表面测定仪、傅里叶光谱分析仪(FT-IR)等现代分析表征手段对糠醛渣活性炭的结构形貌、比表面积、孔径及表面官能团等物理化学性质进行表征。最后，采用CH4/CO2变压吸附试验得到糠醛渣活性炭对CH4/CO2混合气体的吸附分离性能参数，得到混合气体吸附量、分离度及耦合度与制备条件之间的数学关系式。本研究可以为CH4/CO2分离功能性吸附材料制备及混合气体吸附分离提供理论指导。
　　运用正交试验优化糠醛渣活性炭磷酸活化法的制备条件，选择磷酸浓度、浸渍比、活化温度、活化时间为影响因子通过正交试验及测试结果筛选出活性炭最大比表面对应的制备条件。运用响应曲面法建立比表面积、最可几孔径与制备条件之间的数学关系式及等值线图。结果表明以糠醛渣为原料，磷酸为活化剂制备活性炭条件为:磷酸浓度60％、浸渍比1.5∶1、活化温度400℃、活化时间120min时制得的活性炭比表面积为1166.952m2/g，最可几孔径为0.6205nm。通过数学关系式及等值线图可以直观得出磷酸浓度、浸渍比、活化温度及活化时间对糠醛渣活性炭的比表面积、最可几孔径的影响。
　　通过电镜扫描可以看出糠醛渣活性炭表面有较多的凹凸、褶皱和孔洞，具有较高的比表面积，为物理吸附提供了良好的基础。通过静态氮吸附曲线可以看出糠醛渣活性炭样本的氮气等温吸附曲线均为Ⅱ型，可以得出糠醛渣活性炭对氮气的吸附主要取决于微孔的数量。通过傅里叶红外光谱分析可知，同原料和同活化剂条件下，不同制备条件得到的活性炭表面官能团的种类并无太大区别，比表面积较大的活性炭表面的羟基、羰基、醚、酚等含氧官能团数量明显高于比表面积小的活性炭。
　　将活性炭样本用于CH4/CO2的变压吸附分离试验，建立了混合气体吸附量、分离度及耦合度与制备条件之间的数学关系式，在试验条件范围内研究发现样本的比表面积越大，CH4/CO2混合气体的吸附量越大，这说明活性炭比表面积和CH/CO2混合气体吸附量之间存在正相关的关系。其中筛选出的最大比表面积为1166.952m2/g的活性炭样本吸附分离效果最好，为:CO2最大吸附量65.185cm3/g、CH4最小吸附量7.171 cm3/g，对应分离度为5.829、耦合度为0.937cm3/g。

目录

声明

摘要

1 绪言

1．1 本文的研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 高木质素废弃物活性炭制各技术研究现状

1．2．2 活性炭的制备方法

1．2．3 活性炭表征分析方法

1．2．4 活性炭对CH4／CO2混合气体定向吸附分离研究进展

1．3 糠醛渣资源及其利用现状

1．4 Mintab简介

1．5 本文的主要研究内容及创新之处

1．5．1 研究的主要内容和技术路线

1．5．2 研究的创新点

2 磷酸活化制备糠醛渣基活性炭的正交试验研究

2．1 正交试验原理

2．2 试验原料分析

2．3 试验主要仪器设备及试剂

2．4 磷酸活化法制备活性炭步骤

2．5 以糠醛渣Ⅰ为原料的活性炭制备

2．6 不同糠醛渣制备活性炭规律

2．7 以糠醛渣Ⅱ为原料的活性炭制备

3 活性炭特性的响应曲面法研究

3．1 响应曲面法(Response Surface Methodology，RSM)的基本原理

3．2 以糠醛渣Ⅰ为原料的活性炭特性的响应曲面法研究

3．3 以糠醛渣Ⅱ为原料的活性炭特性的响应曲面法研究

3．3．1 比表面积R的关系式

3．3．2 最可几孔径K的关系式

3．4 回归方程可靠性验证

3．4．1 R方程验证

3．4．2 K方程验证

3．5 比表面积R关于X、Y、Z、T中任意两个因素的等值线图分析

3．6 最几何孔径K关于X、Y、Z、T中任意两因素的等值线图分析

3．10 本章小结

4 糠醛渣基活性炭的特性分析

4．1 扫描电镜SEM分析

4．2 氮气吸附等温线分析

4．2．1 氮气吸附等温线的特点

4．2．2 正交试验活性炭样本氮气吸附量分析

4．2．3 活性炭样本的氮气吸附等温线

4．3 傅里叶红外光谱分析与表征

4．3．1 活性炭表面主要官能团

4．3．2 活性炭表面官能团的傅里叶红外光谱分析

4．4 本章小结

5 变压吸附分离CH4／CO2混合气体的研究

5．1 活性炭对CH4、CO2单组份气体的变压吸附试验

5．2 活性炭对CH4／CO2混合气体的变压吸附试验

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 研究结论

6．2 研究展望

参考文献

致谢

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