低温等离子体活化接枝提高热解炭吸附效能的研究

发布时间：2018-12-30 16:24

【摘要】：废旧轮胎的大量产生是在汽车产业空前繁荣的大背景下不可避免的问题,为了解决这个问题,有很多的相关研究者对此进行了广泛的研究,但还无法有效解决问题,所以急需开拓新型的废旧轮胎利用手段。有研究表明,利用废旧轮胎制取的热解炭可以作为废水处理中的吸附剂,但是这种吸附剂吸附能力有限。基于以上这些情况,本文采用等离子体体活化并接枝丙烯酸的手段来处理废旧轮胎热解炭,以亚甲基蓝为吸附对象,研究活化接枝热解炭对亚甲基的吸附能力,并对其制备路径、吸附条件、吸附机理以及动态吸附进行研究。为废旧轮胎的资源化利用提供新的途径,为优化热解炭作为吸附剂的吸附能力进行理论上的指导和实践。本文废轮胎活化接枝热解炭制备包含三个步骤:(1)废胶粉热解制备成热解炭(TPC,Tyre-based Pyrolytic Carbon);(2)利用低温等离子体体活化处理TPC,制成活化热解炭(MTPC,Modified Tyre-based Porolytic Carbon);(3)MTPC接枝丙烯酸,制成活化接枝热解炭(MGTPC,Modified-Grafted Tyre-based Porolytic Carbon))。探讨了以上制备过程的最佳工艺参数,对在最佳制备工艺条件下获得的MGTPC进行了吸附性能研究,分析了吸附时间、亚甲基蓝初始浓度、吸附剂投加量、反应温度和PH对吸附性能的影响,并利用红外光谱和拉曼光谱、电子扫描显微镜对制备样本的表面官能团、表面形貌进行了分析,对其吸附机理进行了研究。利用Langmuir吸附等温式对吸附数据进行拟合,根据Van’t-Hoff方程对吸附的热力学性征加以研究,用Lagergren拟一级模型和McKay拟二级模型对吸附动力学性征加以研究。利用连续流管式反应器进行MGTPC吸附亚甲基蓝的动态吸附实验,采用Thomas动态拟合模型对动态吸附实验的相关数据进行拟合。在上述研究的基础上,为了深化对MGTPC作为吸附剂的本质上的了解,对其吸附机理进行了研究。包括利用红外光谱和拉曼光谱对吸附剂表面官能团进行分析,利用电子扫描显微镜对吸附剂表面形貌进行研究。利用Langmuir吸附等温式对吸附数据进行拟合,根据Van’t-Hoff方程对吸附的热力学性征加以研究,用Lagergren拟一级模型和McKay拟二级模型对吸附动力学性征加以研究。利用连续流管式反应器设计MGTPC吸附亚甲基蓝的动态吸附实验。并利用Thomas动态拟合模型对动态吸附实验的相关数据进行拟合。实验结果表明,将废轮胎胶粉制备成为MGTPC的最佳路径为热解升温速率为40℃/min,热解时间为1.5h,热解温度为800℃;活化功率为60~70W,活化压强为30~40pa,活化时间为3min;接枝率为10%。而MGTPC的最佳吸附条件组合为吸附时间2h,亚甲基蓝初始浓度60mg/L,吸附剂投加量2g/L,PH在8左右,吸附反应温度20℃,此时MGTPC可以发挥其最佳的吸附能力,吸附剂对亚甲基蓝的吸附量达到28.9mg/g,吸附剂对亚甲基蓝的去除率达到96.34%。等离子体活化后的TPC表面的饱和C-H键最多,接枝后的MTPC表面的饱和C-H键最少,等离子体体MTPC和MGTPC表面发生了C=C键的伸缩运动。经过低温等离子体体活化和接枝的TPC表面N-H键、C-N键和C-O键均有所增加,经过等离子体体活化接枝丙烯酸以后,-COOH已经接枝到TPC的表面。MGTPC吸附过程符合Langmuir吸附模型,MGTPC的吸附以物理吸附为主,但同时也存在化学吸附。热力学分析表明,MGTPC吸附亚甲基蓝为放热反应,△H为-19.530kJ·mol-1,△S为-50.840 J·mol-1·K-1,R2=0.9508。MGTPC吸附亚甲基蓝的过程符合拟二级动力学模型,R2=0.99。动态实验结果表明,当MGTPC填充柱高度为10cm、吸附液流速为1ml/min时,动态实验效果最好。Thomas速率常数随吸附柱的高度的增加而减小,随吸附液的流速增加而增加。吸附剂对亚甲基蓝的吸附量q0随着填充柱高度的增加而降低,随着流速的增加而增加。综上所述,MGTPC对亚甲基蓝的吸附能力较TPC有所改善,表明利用低温等离子体体活化并接枝丙烯酸的处理方法是可行的。不仅为废旧轮胎资源化利用提供了新的途径,还同时减轻了环境压力,具有实际利用价值。
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【学位授予单位】：苏州科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703;O647.33

【参考文献】