湿生植物基活性炭的制备、表征及其对重金属镍离子吸附性能的研究

发布时间：2020-04-07 03:38

【摘要】：随着工商业的发展以及民用固体废弃物不合理填埋和堆放,突发性水体重金属污染事故时有发生,其中由重金属镍污染造成的饮用水安全问题已逐渐引起人们的广泛关注。除自然地质作用之外,相关的工业过程(如采矿、冶炼、电镀、货币铸造)和燃烧化石燃料等人为因素导致大量镍被排放到环境空气和水系统中。研究资料显示,Ni2+可导致接触性过敏性皮炎和呼吸道癌症而且在人体中具有积累作用。职业暴露人群和长期接触镍污染的水源和空气的城镇居民无形中增加了镍中毒的风险。活性炭是一种人造材料,又称为碳分子筛。它具有丰富的内部孔隙结果,拥有较高的比表面积,是一种优良的吸附材料。活性炭的物理化学性质稳定,不溶于水,不溶于有机溶剂,耐酸耐碱,能承受水湿、高压和高温,可再生。作为一种循环经济型材料,活性炭的开发和应用技术符合我国经济可持续发展战略。湿生植物资源丰富、有机碳含量高,然而长期以来没有得到充分的利用,造成大量的生物质资源白白浪费。为了达到变废为宝的目的,本研究采用湿地植物为原料制备高附加值、应用广泛、需求量大的活性炭。同时,该项研究对我国湿地植物资源的综合利用、活性炭制备新技术的开发、环境保护及可持续发展等均具有重要的意义。本研究通过比较不同生物质基活性炭的表面特征和对Ni(II)的吸附性能,明确了以湿地植物为原料制备活性炭的优势；以实验结果为基础,采用Fe(Ⅱ)-EDTA复合改性法,增强了莲杆基活性炭对镍离子的去除效果；之后为了简化改性工艺,本论文采用了乙酸掺杂改性法和磷酸酯活化法以提升活性炭的表面性能,最终达到了提高湿地植物基活性炭对镍离子的吸附性能的目的。本论文的主要结论如下： (1)通过对不同生物质原料来源活性炭的表征和分析,发现湿地植物生物质基活性炭的理化性能和对镍离子的吸附性能均优于其他生物质基活性炭,其中莲杆和菰草是制备高性能活性炭的合适原料。实验结果显示,湿地植物基活性炭样品内部总体呈现微孔-中孔结构；经测定,湿地植物基活性炭具有高比表面积,其中莲杆基、菰草基活性炭的比表面积分别为1318和1297m2·g-1,远高于其他生物质原料活性炭；由Boehm滴定结果可知,湿地植物基活性炭,其表面的羧基,内酯基和酚羟基官能团浓度均大于其他6种活性炭。其中,菰草基活性炭的表面酸性官能团含量最高,为2.034mmol/g,而鸡毛基活性炭的表面酸性官能团含量在10种活性炭中最小,仅为0.918mmol/g。 (2)本研究选用湿地植物莲杆为原料,先进行亚铁改性,而后再负载EDTA,旨在为吸附提供更多的吸附位点,提高吸附效率。结果表明,Fe(II)复合EDTA改性活性炭对Ni(II)的吸附容量高于原炭和Fe(II)和EDTA单独改性的活性炭。经过Fe(II)-EDTA复合改性后,活性炭对镍的最大吸附量qm达到57.1mg·g-1；相比原炭,单独Fe(II)改性活性炭和单独EDTA改性活性炭分别提高了10%、170%和20%左右。 (3)为了简化活性炭的改性工艺,本研究将活化和改性步骤合并,采用乙酸掺杂改性法制备菰草基活性炭。结果表明,经乙酸改性后,活性炭所含的酸性官能团的数量从1.86mmol/g提高到2.64mmol/g;在pH8.0时,乙酸改性活性炭对Ni(Ⅱ)的最大吸附量qm达到34.6mg·g-1,比原炭的28.9mg.g-1提高了20%左右。 (4)本研究选用菰草为前体,经过磷酸和五种烷基磷酸三酯(APTEs)浸泡后直接热解制备菰草基活性炭。实验结果显示,经五种APTEs活化的活性炭与只用磷酸活化的活性炭相比,表面酸性官能团更多,均大于磷酸活化法制得的活性炭(1.718mmol/g),其中,以磷酸三丁酯(TBP)为活化剂的活性炭表面酸性官能团含量最高,为2.695mmol/g;以APTEs为活化剂的活性炭其Vmic/Vtot为30%-50%之间,其中以磷酸三辛酯(TOP)为活化剂的活性炭其Vmic/Vtot达到了72.1%,说明以APTEs为活化剂的活性炭具有多微孔结构；烷基磷酸酯活化法制备的活性炭,其对重金属离子Ni(II)的吸附能力基本要高于磷酸活化法制备的活性炭；其中以磷酸三丁酯(TBP)为活化剂的活性炭对Ni(II)的最大吸附量(Qm)达到43.5mg.g-1,比磷酸活化的活性炭(Qm=30.6mg·g-1)提高了42%左右。
【图文】：

活性炭,孔径分布,孔道,表面官能团

验方法见2.4.12表面官能团的测定法见2.4.3吸附实验性炭样品投加量为50mg。具体实验方法见2.6.1。果与讨论不同生物质基活性炭的形态结构和表面性质0.5 1

孔径分布,脱附等温线,N2吸附,孔径分布

图4.1 LSAC和Fe-EDTA/LSAC的孔径分布和N2吸附/脱附等温线.1. Pore size distributions and N2 adsorption/desorption isotherms (inset) of LFe-EDTA/LSAC.表4.1 LSAC和Fe-EDTA/LSAC的孔道结构特征Table 4.1 Surface area, pore volume parametersof LSAC and Fe-EDTA/LS。- '^BET Sqxx ^mic ^mic 厂tot 厂mic/厂totSamples(m /g) (m /g) (m /g) (cm /g) (cm /g) (%)LSAC 824 65 759 0.356 0.409 87DTA/LSAC 445 23 422 0.179 0.198 90表面官能团炭的化学元素组成中，不单单有碳原子，还存在有0、H、S他杂原子，，它们结合在炭的微晶层边缘，决定了活性炭的表面果如果所示。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X505;TQ424.1

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