有机钾盐活化法制备活性炭及其对氯霉素吸附性能的研究

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针对常用制备高比表面积活性炭所采用的强碱活化剂的强腐蚀性和煤炭资源短缺的现状,本文以生物质固体废物为原料,有机钾盐酒石酸钾、山梨酸钾作为新型的活化剂,制备比表面积相对较高的生物质活性炭,研究了活化剂制备活性炭的工艺条件和前驱体种类对活性炭的孔径结构和化学成分的影响,探讨了活化机理。利用相关分析仪器如静态氮吸附仪、扫描电镜、X-射线衍射仪、X-射线光电子能谱对活性炭的孔隙结构、表面形貌及表面化学成分等进行了表征。以氯霉素为目标污染物,考察了生物质活性炭的吸附性能及相应的吸附机理。主要研究内容及相关结论如下:1.生物质废物浒苔为原料,有机钾盐酒石酸钾为活化剂,利用单因素法,探讨了活化温度、浸渍比、活化时间对活性炭比表面积和孔径的影响。以获得较高的比表面积为目标,在尽量减少活化剂用量和降低能源消耗的基础上,获得了最佳的制备条件。最佳的制备条件为:活化温度700 ℃,浸渍比1:1,活化时间30min,此条件下活性炭的比表面积为1692m~2/g,总孔体积为1.22cm3/g,平均孔径为2.88 nm。同时三个元素对产品比表面积的影响大小次序为:活化温度>浸渍比>活化时间。酒石酸钾活化浒苔制备活性炭的作用机理包括活化外加碳源和自活化。以最佳条件下获得的活性炭(AC-PT)为吸附剂,氯霉素为目标污染物,AC-PT的最大吸附容量为709.2 mg/g。相对于Freundlich和Dubinin-Radushkevich模型,Langmuir吸附等温模型更符合分析AC-PT的吸附等温数据。2.采用单因素试验法,以生物质废物树叶为原料,有机钾盐山梨酸钾为活化剂,探讨了活化工艺参数(活化温度、浸渍比、活化时间)对活性炭性能的影响。以高比表面积为目标,综合考虑能耗成本等问题,优选出了最优活化条件。三个工艺参数对活性炭比表面积影响大小为活化温度>浸渍比>活化时间,最佳的工艺参数为活化温度700 ℃,浸渍比3:1,活化时间30 min,此条件制备的活性炭的比表面积为1627 m~2/g,总孔体积为0.757 cm3/g,平均孔径为1.86 nm。山梨酸钾在活化过程中既可作为活化剂活化外加原料,又可以作为碳源进行自活化。山梨酸钾在最优条件下制备的活性炭对氯霉素吸附数据更适合伪二级动力学和Langmuir吸附等温模型,对氯霉素的最大吸附容量为540.5 mg/g。3.优选有机钾盐酒石酸钾为活化剂,以不同类别的固体废物(石油焦、树叶、鸡毛、浒苔)为原料,在相同的活化条件(活化温度750℃,浸渍比2.5:1,活化时间1 h)下获得四种不同的活性炭。浒苔基活性炭(2151 m~2/g)、鸡毛基活性炭(1819m~2/g)、树叶基活性炭(1721m~2/g)的比表面积远大于石油焦基活性炭(256 m~2/g),说明相对于石油焦,浒苔、鸡毛、树叶等相关生物质材料更适合作为生产高比表面积活性炭的原料。四种不同活性炭对氯霉素吸附的动力学和热力学数据更符合伪二级动力学和Langmuir吸附等温模型,同时四种不同活性炭中浒苔基活性炭对氯霉素吸附容量最大(892.86 mg/g)。
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