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球形活性炭具有装填密度高、化学性质稳定、机械强度高、比表面积大,孔隙结构丰富等一系列的特点,而且其成本低廉,来源丰富,已在医学、环保、化工和分析仪器等方面得到广泛应用。 以酚醛树脂为原料制备球形活性炭是该领域的一个研究热点。良好的酚醛树脂炭球合成时需满足两个条件:保持良好球状形貌并避免在合成过程中发生团聚。降低合成溶液中的酚醛树脂浓度可以得到球形度好、团聚度低的树脂球,但同时低浓度树脂溶液也意味着球形活性炭的单位体积产出率低,能量及溶剂等辅助原料消耗大,不适合进一步放大制备。 针对现有情况,本论文主要研究如何在高浓度反应底物条件下制备性能良好的球形活性炭,提高球形活性炭的单位产量。高浓度反应底物带来的最大难点是树脂球前驱体及前驱体炭化、活化过程中的团聚,本论文通过酚醛树脂球前驱体的制备、前驱体的炭化、活化等过程探究高浓度下球形活性炭的形成规律并得到最佳的制备条件,最后通过球形活性炭对大分子染料的吸附对论文得到的球形活性炭进行性能表征。 本论文在合成酚醛树脂球时,首先研究了反应底物间苯二酚初始浓度对于树脂球形貌和球径的影响。保持其它反应条件不变,在不同浓度的间苯二酚条件下制备出的球形前驱体仍保持良好球状形貌,球径随着浓度的增加先增后减,树脂球单一分散,球面光滑。反应温度对于球径的影响是在相同反应时间,不同反应温度条件下进行的,球径随着温度的升高逐渐变小;而在设定反应温度反应浓度的条件下,水热反应时间对树脂球的形成也有明显的影响,水热反应时间在12小时后,反应基本结束,球径维持稳定不变。在确定水热制备条件后,所得树脂球前驱体表面光滑,形貌保持完好。 球形活性炭的制备,用第一步所得树脂球作为前驱体,对其进行活化。活化方法采用化学活化法,难点在于如何在活化过程中始终保持良好的球形形貌。磷酸活化的最佳温度在400℃~600℃,而氢氧化钠、氢氧化钾、氯化锌活化温度多在800℃左右。低温活化下球形活性炭更容易维持球形形貌,而高温下容易丧失形貌,故而在本文中选用磷酸作为活化剂。影响最后活性炭品质的关键是活酸炭比、活化温度、活化时间。 选酸炭比为2~5,在400℃下进行活化。在活化剂前驱体混合的时候,要对树脂球在110℃下进行固化处理一定时间。在此酸炭比范围内,所得球形活性炭球形度保持良好,但随着酸炭比增加,酚醛树脂基球形活性炭越容易烧结在一起。其比表面积随着酸炭比增加先增后减,介孔表面积增加,孔径基本维持不变。比表面积在1300 m2/g左右。 固定酸炭比为3时,在400~600℃之间选取一系列温度,探究温度对于球形活性炭制备的影响。随着温度的上升,球形活性炭球形形貌保持良好,表面光滑。但活化温度越高团聚现象越严重。温度越高比表面积越大,在500℃的时候,便达到3000m2/g以上。 固定酸炭比、活化温度条件下,活化时间对球形活性炭的影响表明,活化时间越长,越易团聚,但不明显。而在活化时间为60 min时,所得活性炭的结构参数得到最佳值。通过磷酸活化所得的活性炭经XPS分析,其表面的化学官能团是羟基、羰基和酯基等酸性基团。这样的表面化学特点有助于其特异性吸附。 活化过程是一个造孔的过程,同时也是一个破坏形貌的过程。重点在于如何在活化过程中保持住球形前驱体原始形貌。酸炭比、活化温度、活化时间的选择均起到关键作用。 本论文最后通过对酚醛树脂基球形活性炭对亚甲基蓝的吸附进行研究,并且对亚甲基蓝吸附的数据进行热力学及动力学研究。 通过对在不同酸炭比及不同活化温度条件下制备的球形活性炭对亚甲基蓝溶液的吸附进行研究,并用Langmuir和Freundlich方程对所得数据进行拟合,所得拟合结果和Langmuir方程吻合程度较好,说明炭球形活性炭对亚甲基蓝是单层吸附。通过计算可得亚甲基蓝饱和吸附量为645mg/g。通过不同酸炭比条件下制备的酚醛树脂基球形活性炭对亚甲基蓝的吸附动力学全部符合准二级动力学模型,表明在球形活性炭吸附过程中,化学吸附是其速控过程。