木质素基活性碳纤维的制备及其吸附性能的研究

发布时间：2017-12-08 20:25

  本文关键词：木质素基活性碳纤维的制备及其吸附性能的研究

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【摘要】：活性碳纤维是一种备受关注的新型碳基吸附剂,目前活性碳纤维的生产原料主要集中在黏胶基、沥青基和聚丙烯腈基三种化石原料上,可再生性差且成本高,采用碱性木质素为原料制备活性碳纤维不仅可以解决碳纤维生产原料可再生性差、成本高的问题,而且为生物质的资源化利用提供了一种思路。本文以粉末状碱性木质素为原料,采用静电纺丝生成木质素原纤维,对原纤维进行预氧化、炭化和活化处理制备得到活性碳纤维。通过控制纺丝过程中天气因素(空气湿度)和原料比例,发现在夏季晴天(湿度为50% 60%),碱性木质素：乙酸：10wt% PVA溶液比为70:15：15时制备得到的原纤维性状较好,纺丝液的可纺性最为理想；预氧化和炭化过程考察预氧化时间、碳化温度的影响。实验发现：预氧化时间越长,含氧官能团总数越多；碳化温度为800℃时制备得到的碳纤维BET比表面积及孔径结构最优,甲苯的吸附量最大；此外,分别考察水蒸气活化法、KOH活化法、金属浸渍和原位复合催化炭化活化法对制备得到的活性碳纤维相关特性的影响,三种活化方法对活性碳纤维的物理化学性质及甲苯吸附量均有不同程度的提升,其中KOH活化法制备得到的活性碳纤维(ACFK)吸附剂性能最优。同时,论文以甲苯、甲醇和丙酮三种典型的VOCs作为研究对象,选取ACFK为吸附剂,分别在静态吸附瓶和固定床装置中进行VOCs的静态和动态吸附实验。静态吸附实验表明,在气相环境中,温度越高,VOCs的平衡吸附量越小,浓度越高平衡吸附量越大；当三种VOCs组分共同存在时,相互之间的平衡吸附量均降低,而三者的叠加值大于任意单组分吸附值,三种VOCs中甲苯的吸附量最大；静态液相环境中,三种VOCs的吸附量均出现不同程度的下降,其中甲苯受影响最大,下降程度超过50%,并且液相中甲苯的吸附最快,平衡吸附量最大。同时,静态条件下VOCs的吸附动力学和吸附等温式的分析表明,液相条件下ACFK对甲苯吸附符合准二阶动力学模型,对甲醇的吸附与Werber-Morris模型具有较好的拟合效果,对丙酮的吸附与准一阶动力学模型具有较好的拟合相关性；静态气相条件下甲醇和甲苯的吸附等温线与Freundlich模型具有更好的拟合度,丙酮的吸附等温线则采用Langmuir模型是具有更好的拟合度。在动态吸附实验中,分别进行了三种VOCs的单组分、双组分和多组分吸附实验。其中,单组分以甲苯为代表,分别考察浓度、气体流量和吸附剂添加量对最终饱和吸附量的影响。实验结果表明,单组分时,随着甲苯浓度升高,甲苯穿透曲线左移,ACFK的饱和吸附量和吸附效率先升高后降低；随着通入吸附柱内气体流量及吸附剂添加量的增大,吸附效率升高；在双组分吸附中,与甲醇组合的甲醇与甲苯、甲醇与丙酮均发生明显的竞争性吸吸附现象,两个组合下出口气体中甲醇的峰值浓度分别是进口浓度的1.05倍和1.09倍,这种竞争吸附的现象在多组分吸附过程中更加显著,并且双组分和多组分吸附时三种VOCs的饱和吸附量相比较单组分时均出现下降趋势。此外,本论文研究了水蒸气对ACFK吸附VOCs的影响。ACFK对水蒸气的饱和吸附量随着相对湿度的增大而增加,动态吸附过程中在45min时吸附达到饱和状态,随着温度的升高水蒸气的饱和吸附量先增加后减小,在35℃时饱和吸附量值达到峰值；当水蒸气存在于VOCs混合气体中,ACFK对VOCs吸附的饱和吸附量受影响程度依次为甲苯丙酮甲醇,随着通入混合气体中水蒸气量即RH值的升高,ACFK对VOCs饱和吸附量的受影响程度依次为甲苯甲醇丙酮。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X701;O647.3

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本文编号：1267728