烟梗基活性炭的制备及在卷烟烟气中的吸附研究

发布时间：2020-09-01 06:56

　　活性炭是一种用途广泛的多孔材料,其原料来源丰富,绝大部分植物材料都可来制备活性炭。烟梗是作为烟草工业的副产物,每年大量的烟梗资源被弃置或焚烧,既浪费资源又造成环境污染。降焦减害是烟草行业永恒的主题,但卷烟烟气气溶胶是一种复杂的体系,单一成分的吸附研究无法符合其过程,为此本文以废弃烟梗为原料制备活性炭,并将其应用到卷烟烟气的降焦减害方面,从多种成分角度分析其吸附性能。主要的研究内容与结果如下:1.以烟梗为原料,采用ZnCl_2活化法和H_3PO_4活化法制备活性炭,选取活化剂质量分数,活化温度和活化时间三个主要因素,设计单因素实验,考察不同水平条件下活性炭的孔隙结构变化,并通过Minitab软件分析主要因素间的影响次序和交互作用。结果表明ZnCl_2活化制备的活性炭比表面积基本在1000m~2/g以上,H_3PO_4活化制备的活性炭比表面积最高为866m~2/g。以表面积为指标,ZnCl_2的活化效果要优于H_3PO_4活化,并且ZnCl_2活化法可通过改变活化剂用量实现活性炭的孔结构调整。2.利用烟梗疏松多孔的结构特征,以微波对其进行膨胀,考察烟梗含水率、微波功率和膨胀时间对烟梗膨胀率的影响。利用膨胀梗为原料,ZnCl_2为活化剂制备活性炭,比较不同条件下的膨胀梗制备出活性炭的比表面积差异。结果表明,活性炭的比表面积和膨胀梗的制备条件有关,与膨胀率关系较小。烟梗含水率过大、过高膨胀功率和过长膨胀时间均不利于活性炭的制备。3.采用不同结构活性炭作为滤嘴添加剂,研究其对主流烟气中的7种主要有害物质的吸附影响。结果表明孔结构对7种有害成分的吸附效果区别较大,活性炭对主流烟气中对苯并芘(B[a]P)、NNK、HCN、NH_3、巴豆醛、苯酚和CO最高降低率依次为61%、55%、20%、47%、55%、69%和37%。4.以赖氨酸和金属硝酸盐(Fe~(2+),Al~(3+),Mg~(2+),Cu~(2+)和Co~(2+))对活性炭进行双功能化修饰,经表征活性炭表面具有丰富的碱性基团和金属离子。将功能化后的活性炭作为滤嘴添加剂进行烟气吸附实验。结果表明修饰后的活性炭相比未修饰前吸附性能得到了明显提高,其中对于苯酚和HCN吸附效果最好,吸附降低率达50%以上。5.以卷烟烟气中的有害物质邻甲苯胺和苯酚为目标物,在水溶液中研究两种物质的共吸附行为,探究了温度、时间和pH对吸附的影响,并对数据进行拟合。结果表明活性炭对邻甲苯胺和苯酚的吸附属于放热放应,且存在协同作用,拟二级和Freundlich模型能较好的描述活性炭的吸附过程。邻甲苯胺的最佳吸附pH范围在7-8,而苯酚在6-7。
【学位单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X795;TQ424.1;TS49
【部分图文】：

能谱分析,活性炭,官能团,表面

昆明理工大学硕士学位论文21.1.2活性炭的化学组成活性炭主要成分是C，并含有少量的H、O和S等；原料和制备方法的差异影响着活性炭表面化学性质，同时决定了活性炭的吸附选择性、酸碱性和润湿性等。通过傅里叶红外分析、X射线光电子能谱分析和有机化学滴定法可测定活性炭的表面化学官能团，常见的含氧官能团如图1.1所示，包括有羰基羧基、内酯性羧基和酚羟基等[6]。（a）羧基（b）内酯型羧基（c）酚羟基（d）羰基图1.1活性炭表面的含氧官能团Figure1.1Oxygen-containinggroupsonthesurfaceofactivatedcarbon若活化原料含有丰富的氮元素，或者采用了含氮元素的活化剂，活性炭还可能出现含氮的官能团，具体如图1.2下所示：图1.2活性炭表面的含氮官能团Figure1.2Nitrogen-containinggroupsonthesurfaceofactivatedcarbon1.1.3活性炭的制备方法1.1.3.1制备原料活性炭制备原料来源广泛，原料来源不同，即使在同种制备工艺下，活性炭的品质也会有所差异。传统的制备原料多为木材、煤等，其对环境影响较大；由于环保和成本问题，研究人员开始利用果壳、木屑、农产品副产物和石油焦等废

能谱分析,活性炭,官能团,表面

吸附等温线,气体,卷烟

昆明理工大学硕士学位论文7（6）Ⅵ型等温线Ⅵ型等温线呈阶梯型，阶梯的高度与温度和系统有关，当吸附剂表面先形成第一层的有序分子层后，然后进行第二层吸附，第二层吸附因受到第一层的影响，吸附曲线表现为阶梯型。当吸附质分子发生相变时也会出现此类阶梯，但阶梯通常只有一个台阶[36]。如经过石墨化的炭黑对氮气、氩气等气体的吸附属于此类曲线。图1.3气体吸附等温线分类Figure1.3Classificationofgasadsorptionisotherms1.1.5.3X射线衍射仪X射线衍射仪（XRD）利用X射线穿透物质，根据物质的特征衍射线来进行定量和定性分析。目前XRD主要用于晶体材料，也可结合投射电镜表征活性炭属介孔或微孔材料。1.1.5.4傅里叶变换红外光谱分析仪傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）是根据光的相干性原理设计的一种分析类仪器，实验测量的原始光谱图通过计算机进行快速傅立叶变换计算，从而得到以波长或波数为函数的光谱图。活性炭的表面性质也是影响活性炭吸附性能的重要因素，即使是未改性的活性炭，其表面也包含丰富的官能团，为此可用FT-IR来表征活性炭表面基团。1.2卷烟烟气的简介卷烟烟气主要包括主流烟气和测流烟气两部分，主流烟气主要是抽吸者抽吸时从烟嘴端产生的烟气，进入人体空腔和肺部等产生生理强度；测流烟气主要是卷烟顶端燃烧出的烟气，不经过人体。卷烟的抽吸方式决定了卷烟燃烧是一种高

【参考文献】