活性炭广泛应用在净化空气、污水处理、化工产物的收集、食品加工、药品生产、催化材料的制备、超级电容器的负极材料、贵金属提取等领域。石油焦作为石油产业的副产物,含碳量相当可观,产量庞大,价格低廉,而且呈现多孔性分布,比表面积大,灰分分数低等特点,被认为是活性炭制备的最佳原材料。开发石油焦基活性炭的生产工艺、提高国内活性炭品质、改变高级活性炭依赖进口的现状已经成为国内的研究重点。本论文以石油焦为实验原料,从原材料预处理、活化剂种类、活化剂比例、活化方式、水洗方式、干燥方式和颗粒大小七个方面着手,设计出制备高比表面积活性炭的最佳工艺路线。在此基础上用制备的石油焦基活性炭吸附重金属废水和染料废水,并将吸附后的废渣炭化制备成了电极材料分别用于超级电容器和燃料电池,避免了污泥掩埋、焚烧等带来的二次污染。我们采用BET、SEM、XRD、XPS、EDX-Mapping等技术对活性炭的形貌、结构进行表征,用循环伏安法探究电化学性能,用模拟废水试验考察吸附效果进行。实验研究结果如下:(1)探究石油焦基活性炭生产的最佳工艺路线:以石油焦为原料,不经过原料预处理,KOH作为活化剂,碱炭质量比为1:3。经过研磨干混将石油焦与KOH充分混合均匀,然后在管式炉中,800℃下活化1 h,自然降温后用去离子水洗涤,干燥,得到高比表面积活性炭。所获得的石油焦活性炭(PC-AC)的比表面积可达到3281.4 m~2/g,平均孔径为1.42 nm,孔容为1.76 cm~3/g。(2)高比表面积活性炭在双电层电容器的考察中,当碱炭质量比为3:1时,比表面积为2581.4 m~2/g,平均孔径为1.43 nm,孔容为2.21 cm~3/g,其比电容可达246.45 F/g。(3)用石油焦基活性炭吸附模拟废水中锰离子,吸附温度为35℃,金属离子初始浓度为12 mg/L,活性炭投入量为15 g/L,吸附5 h,吸附率达到99%。吸附残渣热处理后得到AC/MnO_X复合材料用作电极,在扫速为5 mV/s时的比电容为145 F/g。(4)进行了石油焦基活性炭作为吸附剂的动力学和热力学研究。考察活性炭对于重金属锰离子的吸附,研究表明,PC-AC吸附锰离子的过程属于二级动力学模型和Freundlich热力学模型。石油焦基活性炭对于偶氮染料的吸附,研究表明,吸附过程为单层吸附,满足Langmuir等温吸附模型,动力学模型更接近于准二级动力学模型。(5)在以上基础,尝试用低温等离子体法代替传统的KOH活化法制备香蕉皮基泡沫炭,解决了目前在制备中高碱量的弊端,同时为香蕉皮的合理利用提供新思路。结果表明:低温等离子体法活化和传统的KOH活化相比,制备方法简单,制备周期短,不会破坏原材料的结构,而且可以增加原料表面的官能团,使其双电层电容特性更好。经过循环伏安测试可知,低温等离子体制备的香蕉皮基泡沫炭的比电容可达150.81 F/g。