稻草秸杆基活性炭的制备与应用

摘要

本论文以农业废弃物——稻草秸秆为原材料制备活性炭，研究稻草秸秆基活性炭的制备工艺及其表面物理化学性质的表征，并将该活性炭应用于模拟废水处理而检验其吸附性能。
　　 研究稻草秸秆基活性炭的制备工艺过程中，我们首先确定活化稻草的活化剂，从五种活化剂(KOH、H3PO4、ZnCl2、K2CO3、(NH4)2HPO4）中选择出(NH4)2HPO4。实验表明(NH4)2HPO4活化制备的活性炭具有较大的碘吸附值和最高的得率，产品能维持活化前的性状，所以认为(NH4)2HPO4适于活化稻草秸秆。利用热失重分析，推测(NH4)2HPO4活化稻草的反应为：4C+2(NH4)2HPO4→4CO2↑+3H2↑+4NH3↑+2P
　　 然后采用三种不同的预处理方法处理稻草秸秆，即样品先在空气中氧化再浸渍活化剂称为RN-1；样品只浸渍活化剂无氧化过程的称为RN-2；样品先浸渍活化剂后再氧化的称为RN-3。最后将预处理后的样品在500℃、600℃、700℃和800℃下分别活化制得稻草秸秆基活性炭。对产品的表征发现：先浸泡后预氧化处理后且在700℃下活化的样品既有最大的比表面积和孔体积。
　　 对在700℃下的样品RN-1、RN-2和RN-3进行表面物理化学性质的表征，研究预处理条件对于活性炭表面性质的影响。应用XRD对其石墨晶体结构进行表征；应用元素分析研究其碳化程度；应用N2吸附-脱附等温曲线、扫描电镜对其表面物理性质进行表征；应用FTIR、Boehm滴定法和等电点测定对其表面化学性质进行表征。结果表明，预氧化处理会改变材料的比表面积和产品表面的含氧基团含量。其中，先浸渍后预氧化的RN-3样品的比表面积(1078m2/g)与孔体积最大，先预氧化后浸渍的RN-1（358.5m2/g）的比表面积和孔体积最小，相对于未经预氧化处理的RN-2(603.8m2/g)，应该是预氧化阻碍了活化剂与稻草的反应。电镜照片在活性炭的表面没有发现大孔的存在，但显示了预氧化处理会使稻草秸秆的表面发育出一定的孔结构。样品表面含氧基团的存在通过FTIR得以验证，随后我们用Boehm滴定具体测定了含氧化学基团的含量（包括酸性基团和碱性基团）。等电点的测定实验证明，随着氧化程度加深，样品酸性基团的含量增加，RN-3具有最大含量的酸性基团，RN-1略高于RN-2。Boehm滴定于此结论相同，滴定结果也表明酸性基团多的样品碱性基团相应的小，碱性基团大小顺序为RN-2＞RN-1＞RN-3。
　　 选用700℃下制备的活性炭样品RN-1、RN-2、RN-3应用于模拟废水中氨氮、苯酚和亚甲基蓝的吸附，其中氨氮的吸附量非常小，说明活性炭在液相中的吸附种类主要为物理吸附，而氨氮分子在水中呈离子状态，因此吸附量小。吸附动力学研究显示，活性炭吸附苯酚和亚甲基蓝符合拟二级动力学方程。先浸泡后预氧化处理的RN-3具有最大的苯酚吸附量(187.7mg/g)；先预氧化后浸渍的RN-1和RN-3具有相近的最大的亚甲基蓝吸附量(分别为161mg/g和166mg/g)；而两者的苯酚吸附量差别较大（RN-1为157mg/g，RN-3为187mg/g)。吸附平衡实验结果表明，对苯酚的吸附都符合Langmuir模型的描述，对亚甲基蓝的吸附过程RN-1更符合Langmuir模型而RN-2和RN-3更符合Freundlich模型。以上结果表明孔结构和比表面积是影响活性炭吸附能力的主要因素。Gibbs自由能和表面活化能的计算结果也告诉我们除RN-3对亚甲基兰的吸附可能含有化学吸附外，其它均为物理吸附。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 各种吸附材料的研究进展

1.3 活性炭生产与发展现状

1.4 活性炭的应用

1.5 我国秸秆资源的利用现状

1.6 研究目的与内容

1.7 创新点

第2章 稻草秸秆活性炭制备的研究

2.1 前言

2.2 制备实验

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 活性炭的表面物理化学性质

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果及讨论

3.4 本章小结

第4章 活性炭的吸附应用

4.1 前言

4.2 实验器材和药品

4.3 液相吸附

4.4 简单的气体吸附研究

4.5 本章小结

第5章 活性炭吸附后的回用及成本核算

5.1 活性炭的回用实验

5.2 成本核算

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢