氧解残煤制备多孔炭材料及其吸附性能研究

发布时间：2020-05-27 05:26

【摘要】：以褐煤为原料制备优质炭材料,是实现褐煤高附加值利用的有效方式。针对传统的直接将煤样活化制备炭材料导致褐煤利用率低等问题,采用过氧化氢法首先对褐煤进行预氧化提取副产品黄腐酸,并获得挥发分较少的氧解残煤。通过管式炉和微波两种方式对氧解残煤进行活化操作,并以KOH作为活化剂制备炭材料。运用FT-IR、拉曼光谱、XRD、热重分析、SEM、比表面积孔径测定仪对炭材料的结构及性质进行表征分析。研究考察了炭材料对甲基橙染料的吸附性能,运用了四种等温模型、三种动力学模型探讨吸附过程的机理。云南褐煤中含有较多的挥发分、灰分等,直接进行活化操作制备炭材料会造成小分子挥发分的浪费、影响炭材料的性能且污染环境。研究了过氧化氢预氧化褐煤提取小分子黄腐酸,正交实验结果得到提取黄腐酸的最佳工艺条件为氧煤比为6、过氧化氢浓度为23%、反应温度为40℃、反应时间为30 min,黄腐酸收率为32.72%,氧解残煤的收率为53.54%。管式炉活化氧解残煤制备炭材料CM_1实验中,结合单因素实验结果进行正交实验,获得管式炉制备CM_1的最佳工艺条件为活化温度为600℃、活化时间为30 min、活化剂比例为3.5:1,得CM_1的碘吸附值为1209.86 mg/g,收率为12.46%。微波辐射活化方式制备炭材料CM_2实验中,结合单因素实验结果并进行响应曲面实验,二次多项式回归分析得出的模型的相关系数为0.8690,并得到制备CM_2的最佳工艺条件为微波功率432.54 W、活化时间14 min、活化剂比例3:1,得CM_2碘吸附值为1060.06 mg/g,收率为24.56%。对CM_1和CM_2的FT-IR分析结果表明,CM_1和CM_2中含有大量的芳环结构,且还含有甲基、亚甲基和羟基官能团,与氧解残煤相比芳香结构比例增大,其他官能团含量明显降低。拉曼光谱和XRD图谱显示材料中明显存在石墨微晶结构,且CM_1的石墨化程度低于CM_2,这是由于活化剂KOH对CM_1碳原子的刻蚀更严重的结果。BET分析结果显示,CM_1和CM_2结构中存在大量孔隙结构,且以微孔居多,CM_1的比表面积为826.71 m~2/g,孔容为0.685 cm~3/g,CM_2的比表面积为729.11 m~2/g,孔容为0.603 cm~3/g;氮气的吸脱附等温线都表现出II型吸附,即微孔中孔混合吸附的特征,且孔径分布较集中。炭材料吸附甲基橙实验研究对于材料的实际应用具有指导意义。探讨了初始pH值和吸附时间对材料吸附甲基橙性能的影响规律,确定了最佳吸附pH值为8.0,达到饱和的吸附时间为480 min。对炭材料的等温模型和动力学分析发现,CM_1和CM_2对甲基橙的吸附过程符合Freundich等温模型,较符合Tempkin等温模型,吸附过程主要为物理多层吸附和化学吸附联合作用。动力学分析发现CM_1和CM_2对甲基橙的吸附过程遵循拟二级吸附动力学速率方程模型。
【图文】：

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图 1-1 几种硬模板及其合成的炭材料的图[44]1 The images of several hard templates and the corresponding法。该法所使用的模板剂通常是一些具有特殊结构大分子[43, 44]。模板剂在材料的合成过程中，与反应物定的结构生长；或者模板本身作合成的过程中通过自包覆在模板周围；待结构稳定后除去模板剂即可得孔结构通常受合成条件（如原料配比、溶剂和温度P123 为软模板、鹿糖和正硅酸乙酯为原料合成介孔图 1-2 以 P123 为软模板合成介孔炭材料的路径示意图[

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所得炭材料的孔结构通常受合成条件（如原料配比、溶剂和温度等）的影响。图1-2 列举了以 P123 为软模板、鹿糖和正硅酸乙酯为原料合成介孔炭的示意图。图 1-2 以 P123 为软模板合成介孔炭材料的路径示意图[45]Figure 1-2 Schematic of mesoporons carbon prepared with P123 as the soft template[45]一般地，模板法相对活化法具有如下几个优点：a.形态可控；b.分散性好且粒度（或孔径）分布窄；c.结构规整。但也尚存一些问题亟需解决。例如，有些模板本身合成工艺繁琐、影响因素较多，常需要使用强酸、强碱或有机溶剂去除。这不仅增加了工艺流程，而且容易破坏合成炭材料的结构、影响其性能；另外，由于模板法通常是以牺牲模板为代价的，因而经济性不高。目前，寻求廉价的模板或者循环多次利用模板是研究人员共同追求的目标。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O647.33

【参考文献】