【摘 要】
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褐煤氧解提取如黄腐酸和腐植酸等的高附加值化学品产生大量氧解残煤废渣,如何有效实现氧解残煤再利用是褐煤资源高效利用的关键。本文以氧解残煤(过氧化氢氧解云南华宁褐煤提取黄腐酸后的)为炭前驱体,通过氢氧化钾炭化活化一步法制备粉状多孔炭材料(DC),利用响应曲面设计探究最佳制备条件,结合红外、X射线衍射和电镜等分析手段探究DC的结构和性质;以聚乙烯醇(PVA)和羧甲基纤维素(CMC)为粘结剂与粉状多孔炭模
【基金项目】
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煤基黄腐酸平台化合物分子群全组分分布规律及应用基础,国家自然科学基金,编号:21776299;
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褐煤氧解提取如黄腐酸和腐植酸等的高附加值化学品产生大量氧解残煤废渣,如何有效实现氧解残煤再利用是褐煤资源高效利用的关键。本文以氧解残煤(过氧化氢氧解云南华宁褐煤提取黄腐酸后的)为炭前驱体,通过氢氧化钾炭化活化一步法制备粉状多孔炭材料(DC),利用响应曲面设计探究最佳制备条件,结合红外、X射线衍射和电镜等分析手段探究DC的结构和性质;以聚乙烯醇(PVA)和羧甲基纤维素(CMC)为粘结剂与粉状多孔炭模压成型制备多孔炭PVA-ZDC和CMC-ZDC,利用硅酸钠和硅溶胶(SAS)分别改性PVA和CMC制备多孔炭Na2Si O3-PVA-ZDC和SAS-CMC-ZDC;结合吸附实验、动力学吸附模型和等温吸附模型,探究多孔炭去除水中Cr(Ⅵ)的影响因素和去除机理。主要结论如下:DC的最佳制备条件为活化温度为647.3℃、KOH添加比例为3.2:1、活化时间为35.3 min,在最优条件下制备的DC亚甲基蓝吸附值为527.06 mg·g-1,收率为15.6%;DC的孔结构中微孔占比高于中孔,其比表面积达到2744.98 m~2·g-1,平均孔径为1.99 nm,中孔率为5.8%;DC中羟基官能团含量明显增加,支链脂肪烃消失,结构中非晶碳增加、无序度高,石墨化程度低。通过粘结剂模压成型,成型多孔炭PVA-ZDC在最佳条件PVA添加量为30%,190℃热处理70 min下,抗压强度为284.72 N,亚甲基蓝吸附值为167.2 mg·g-1,比表面积为1050.28 m~2·g-1,孔容为0.56 cm~3·g-1,平均孔径为2.12 nm,中孔率为12.5%;CMC-ZDC在CMC添加量为20%,170℃下热处理70 min最佳条件下抗压强度为267.61 N,亚甲基蓝吸附值为191.7 mg·g-1,比表面积为1170.13 m~2·g-1,孔容为0.57 cm~3·g-1,平均孔径为1.98 nm,中孔率为10.3%。4.5%的Na2Si O3改性PVA制备的多孔炭Na2Si O3-PVA-ZDC亚甲基蓝值达到最大为137.5 mg·g-1,相比改性前有所降低,但相同热处理条件下抗压强度增大到498.11 N;而SAS-CMC-ZDC在SAS:CMC质量比为3:1时抗压强度达到最大为415.69 N,相同热处理下亚甲基蓝吸附值为181.8 mg·g-1;相比改性前,Na2Si O3-PVA-ZDC和SAS-CMC-ZDC的孔径分布几乎不变,孔容和比表面积均略有降低。改性后Na2Si O3-PVA-ZDC在酸性、中性和碱性水中的水稳定性均有所提高;SAS-CMC-ZDC在酸性和中性水中的水稳定性有所提高,但在碱性水中的水稳定性较差。粘结剂改性后对成型炭的吸附性能提升较小,但能明显改善成型炭的强度和耐水性。对水中Cr(Ⅵ)的吸附实验结果表明Na2Si O3-PVA-ZDC和SAS-CMC-ZDC吸附平衡时间为500 min,平衡吸附量分别为20.46 mg·g-1和26.11 mg·g-1;p H通过影响水中Cr(Ⅵ)的存在形式和成型炭表面的质子化作用进而影响成型炭对Cr(Ⅵ)的吸附量,p H越大,吸附量越低;Cr(Ⅵ)溶液初始浓度越大,吸附量越大;根据动力学吸附模型和等温吸附模型拟合,Na2Si O3-PVA-ZDC和SAS-CMC-ZDC更符合拟二级动力学吸附模型和Freundlich模型,吸附过程包括成型炭表面还原Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)孔隙内部扩散两个阶段。本文有图51幅,表19个,104篇参考文献。
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