大比表面积碳基固体酸催化油酸酯化反应及吸附Pb(Ⅱ)性能研究

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近年来,碳基固体酸在催化反应中应用广泛。它是一种以碳材料为主体,通过在其表面修饰酸性基团而得到的固体酸,具有磺酸密度大、分离简单、成本低、环境友好等优点,是一种新型的可替代液体质子酸的强酸催化剂。然而,常规碳基固体酸的比表面积通常较小(<10 m2/g),其表面酸性含氧官能团数量较少,使得反应物与催化剂活性中心难以有效接触,在一定程度上影响了其催化性能。因此,开发出一种具有较大比表面积的碳基固体酸,并研究其应用具有重要的意义。以农业废弃物花生壳为原料,经过磷酸活化、部分碳化-浓硫酸磺化过程制备了大比表面积碳基固体酸(CSALA)。采用N2等温吸附-脱附、SEM、XRD、Raman、FT-IR、TG-DTA、XPS和酸碱滴定等手段对其进行了结构表征和酸性质测定。CSALA的比表面积可达329.3 m2/g,远远高于常规法制得的碳基固体酸(CSA,3.7 m2/g),其表面存在较高密度的酸性含氧官能团(-SO3H、-COOH、Ph-OH),密度分别为0.52 mmol/g、1.43mmol/g和0.33 mmol/g。以油酸与甲醇酯化反应为探针反应,考察了CSALA的催化性能。当醇/油摩尔比为10:1、CSALA用量为油酸质量的3%时,在120℃反应4 h,油酸转化率可达96.6%。CSALA的重复使用性能较差,当催化剂重复使用第五次时,油酸转化率仅为27.8%。表征发现,-SO3H基团密度严重下降,而这主要归因于-SO3H基团在极性溶剂甲醇中的溶解、脱落。考察了CSALA对水溶液中Pb(Ⅱ)离子的吸附性能。当接触时间为120 min,溶液pH值为5,吸附剂投加量为0.5 g/L,初始Pb(Ⅱ)浓度为100 mg/L时,Pb(Ⅱ)去除率R为76.0%,吸附量Q为148.6 mg/g,远优于其活性炭前驱体(R和Q分别为39.7%和83.1 mg/g)。分析认为,其较优的吸附性能可归因于其表面高含量的酸性含氧官能团。此外,对CSALA吸附Pb(Ⅱ)的热力学和动力学特征进行了研究。结果表明,CSALA对Pb(Ⅱ)的平衡吸附量随吸附温度的升高而增加,说明该吸附是一个吸热过程,这与热力学分析结果一致。拟二级动力学模型能够很好的描述CSALA对Pb(Ⅱ)的吸附特性,相关系数R2值都在0.999以上。并且,速率常数kads和平衡吸附量qe均随吸附温度的升高而增加,说明高温有利于Pb(Ⅱ)在CSALA表面的吸附。
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