煤焦油基多孔炭对染料的多层吸附性能

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吸附法操作简单,能在较低浓度下去除印染废水中的污染物,因而得到广泛的应用。多孔炭疏松多孔,有丰富的比表面积,常被用作治理废水污染物的吸附材料。除优化多孔炭的物理结构和增大比表面积之外,充分利用其现有孔也是提高其吸附性能的有效途径。本文以模板法制备煤焦油基多孔炭,并通过乙二胺浸渍的方法得到改性多孔炭,采用BET、FESEM、TEM以及XPS等方法对多孔炭的物理结构和表面化学性质进行测定。以制备得到的多孔炭为吸附剂,酸性染料刚果红、酸性品红和碱性染料亚甲基蓝为吸附质,考察了多孔炭对酸碱性染料的多层静态和动态吸附过程,探究多层吸附的可行性与优异性。主要结论如下:(1)以煤焦油为碳源,CaO为模板耦合KOH活化,采用常规加热制备出具有不规则块状结构且富含小中孔的多孔炭CTCs。通过改变终止温度和调节活化剂/碳源的比例,得到具有不同结构的炭材料,当煤焦油、CaO和KOH的比例为1:2:4,终温为900 oC时,制得的炭CTC4-900比表面积高达3101 m2/g。对染料的多层吸附结果表明:由于多孔炭含有大量的小中孔和丰富的吸附位点,其对酸性染料刚果红表现出优异的吸附性能。CTC4-900表面第一层对刚果红的等温吸附过程符合Langmuir模型,饱和吸附量高达3885 mg/g。饱和吸附刚果红的CTC4-900-CR,其表面第二层对碱性染料亚甲基蓝的饱和吸附量为931 mg/g,Langmuir模型可以较好的描述该吸附过程。多孔炭CTC4-900-CR-MB的第三层仍能够吸附刚果红,饱和吸附量为1001 mg/g,该过程较第二层的吸附过程,Freundlich模型的相关系数R2增大,吸附过程存在不均匀性。经多层吸附后,多孔炭的孔容被充分利用。(2)以不同浓度乙二胺对初始炭CTC4-900进行浸渍处理,得到表面含N的改性炭NC2和NC3,其小中孔的比例和比表面积有所减小,其中炭NC3比表面积为1934 m2/g。改性炭表面化学性质发生改变,含氧官能团含量减小,含氮官能团的含量增加,有利于其对酸性染料的吸附。使用该炭对酸性染料进行吸附,结果表明,NC3对酸性品红饱和吸附量高达2486 mg/g,该过程符合Freundlich模型。比较改性和初始多孔炭的第二层对碱性染料亚甲基蓝的吸附性能,发现由于NCs可利用的吸附位点低于CTC4-900,则CTC4-900-AF表现出对亚甲基蓝最好的吸附性能,饱和吸附量为481 mg/g,Langmuir模型可以较好的描述该吸附过程。比较第二层饱和吸附亚甲基蓝的改性和初始炭第三层对酸性品红的吸附性能,发现由于第三层吸附量的主要影响因素为第二层吸附染料的电荷密度,则CTC4-900-AF-MB表现出最好的吸附效果平衡吸附量为635 mg/g,该过程可以用Freundlich模型描述。(3)以颗粒状的炭ZLC4-900和ZLNC3为填料,装填吸附柱,进行染料多层固定床的吸附工艺,研究其动态吸附过程。造粒过程对初始炭CTC4-900和NC3结构的影响较小。固定床的多层吸附结果表明,首次饱和吸附酸性染料的吸附柱,对碱性染料依然有可观的吸附量,且多孔炭第二层中饱和吸附碱性染料的吸附柱仍能够吸附一定量的酸性染料,证明了多层吸附的可行性。固定床的吸附效果与吸附条件密切相关,其中增大吸附质的初始浓度和炭填充量,降低进水流速,有利于提高固定床的吸附效果。本文最佳吸附效果的条件为:刚果红的初始浓度为500 mg/L,酸性品红的初始浓度为300 mg/L,进水流速确定为1.27 mL/min,炭的填充量为0.05 g。
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