苎麻杆活性炭的制备及其应用研究

摘要

活性炭是一种优良的吸附剂，因其具有发达孔隙结构、化学性质稳定等性质，有着很广泛应用。近年来，对活性炭研究的热点之一是利用廉价的农业废弃物为原料和简单的工艺来制备性能优良的活性炭。
　　 本研究利用热重分析法对试样在高纯氮气条件下热解的TG-DTG曲线进行了分析，研究了不同升温速率对热解过程的影响，研究表明，苎麻杆热解过程可分为脱水干燥阶段、预热解阶段、主要热解阶段和缓慢热解阶段4个阶段。通过对废弃苎麻杆的热解动力学研究，发现废弃苎麻杆炭化热解阶段反应机理满足1.5级化学反应模型，活化能和频率因子均随着升温速率的增加而增大。
　　 本文以农业废弃物苎麻杆为原料、KOH为活化剂，采用炭化和活化两步法制备活性炭。利用正交实验设计，考察了KOH活化法制备麻质活性炭的特点，探讨了各个制备因素(碱炭比、活化温度、活化时间、浸渍时间)对活性炭吸附性能(碘吸附值和亚甲基蓝吸附值)及产率的影响，确定了活性炭制备的最佳工艺条件。结果表明选用苎麻杆为原料制备活性炭是可行的，其最佳工艺条件为碱炭比为2、活化温度750℃、活化时间1.5h、炭化温度500℃，浸渍时间24h。该条件下活性炭样品的碘吸附值、亚甲基蓝吸附值和产率分别为1374.78mg/g、314.51mg/g和26％；采用比表面积测定仪，在77K下测定各样品N2吸附-脱附等温线，通过Langmuir方程、BET方程、t图法和BJH法计算比表面积、孔体积和孔径分布；采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析仪以及红外光谱仪对麻杆活性炭进行了表征，分析其表面形貌、微观结构及表面化学官能团等。
　　 利用所制备的活性炭吸附水溶液中的铬离子，并对吸附热力学、吸附动力学以及吸附机理进行了探讨。吸附热力学和动力学研究考察了影响吸附的主要因素，包括初始pH值、活性炭投加量、吸附时间、初始浓度和温度。实验结果表明：溶液pH是影响铬离子吸附过程的重要因素；当溶液pH约为2，铬溶液的初始浓度为150mg/L，麻质活性炭投加量为0.1g，吸附时间为150min时，麻质活性炭对含铜废水的去除效果较好。另外，分别采用Langmuir吸附等温线方程和Freundlich吸附等温线方程对实验数据进行分析，结果表明Langmuir等温线能较好地描述铬离子在活性炭上的吸附平衡。采用准一级和准二级吸附动力学模型分析了实验数据，结果表明准二级动力学模型能更好地描述吸附过程。采用酸碱再生法对活性炭的再生进行了探讨，结果显示使用酸碱再生法可使吸附铬离子活性炭的一次再生率约为80％。