浒苔基高比表面积活性炭的制备及其性能研究

发布时间：2017-12-26 03:44

本文关键词：浒苔基高比表面积活性炭的制备及其性能研究　出处：《山东大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：由于温室效应及水体富营养化等原因,造成浒苔绿潮频频暴发,大量浒苔漂浮聚集在岸边,阻塞航道,严重破坏海洋生态系统及沿海旅游业发展。浒苔富含碳水化合物、蛋白质、纤维素、半纤维素及矿物质等,具有作为活性炭原材料的潜力。基于此,本文以浒苔为前驱体,引入响应面模型,通过化学活化法制备出了高比表面积活性炭,不仅减缓了活性炭产业对煤炭资源的过度消耗和依赖,也有利于实现浒苔废物的循环利用,同时创造一定的环境和经济效益。本文利用比表面测定仪、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、贝姆滴定和X-射线光电子能谱(XPS)等分析技术探讨了活性炭的孔径结构、表面形貌和化学官能团等方面的特性。考察了浒苔活性炭对酸性大红染料分子的吸附特性,研究了接触时间、吸附质浓度及溶液温度对吸附行为的影响。通过恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等电化学方法首次探讨了浒苔活性炭材料的电化学性能。本文着重开展了以下几个方面的研究:(1)废弃物优选实验:将浒苔、石油焦、造纸黑液木质素及头发四种废弃物与活化剂焦磷酸或氢氧化钾混合,在相同的工艺条件制备活性炭。四种原料、两种活化剂作用下活性炭的孔径结构特征和化学性质通过氮气吸附/脱附试验、扫描电镜和傅里叶红外光谱等现代分析手段进行对比研究。结果表明,制备活性炭比表面积大小排序为:KOH-浒苔炭(3471 m2 g~(-1))KOH-黑液木质素炭(3119 m2 g~(-1))KOH-头发炭(2521 m2 g~(-1))KOH-石油焦炭(1344 m2 g~(-1))H4P2O7-浒苔炭(1094 m2 g~(-1))H4P2O7-头发炭(723m2 g~(-1))H4P2O7-石油焦炭(117m2g~(-1))H4P2O7-造纸黑液木质素炭(104 m2 g~(-1))。与造纸黑液木质素、头发及石油焦相比,浒苔更适合或者说更容易制备出高表面积活性炭。(2)焦磷酸优化实验:以浒苔做原料,焦磷酸做活化剂,利用响应面模型系统考察了浸渍比、活化温度、活化时间三因素对活性炭孔结构的影响及各因素之间的交互影响。研究表明,影响产品比表面积大小的主次顺序为浸渍比活化时间活化温度。在交互作用影响中,浸渍比和活化时间的交互作用对比表面积影响最大,活化温度与活化时间的交互作用影响次之,浸渍比与活化温度的交互作用影响最小。最优工艺参数为:浸渍比1.26:1,活化温度455℃,活化时间48 min。所制备的浒苔活性炭比表面积为1147m2g~(-1),含有丰富的介孔,更加适合于对大分子污染物的去除。(3)氢氧化钾优化实验:以浒苔做原料,氢氧化钾做活化剂,通过响应面模型探讨了浸渍比、活化温度、活化时间对活性炭孔隙结构的影响。结果表明,各因素对比表面积、微孔率及平均孔径影响的主次顺序均遵循以下规律:活化温度浸渍比活化时间。通过响应面图、等高线图和方差分析得出,各因素对比表面积的交互作用不是非常明显,但对微孔率和平均孔径的交互作用显著。最佳工艺制备条件为:浸渍比1.1:1,活化温度850℃,活化时间60 min,在较低的活化剂作用下,即可得到比表面积高达3038 m2 g~(-1)的活性炭产品。以最佳条件下制备的高比表面积活性炭作为双电层电容器电极材料,结果表明,在电流密度为0.5 Ag 1,电极材料比电容为230 Fg 1,当电流密度升高到5.0 A g~(-1),电极材料比电容仍保持了 200 Fg 1,为初始值的86.96%。炭电极等效串联电阻为0.1765 Ω,说明所制备的活性炭电极材料具有较好功率密度和倍率性能。(4)对比试验:以浒苔做原料,H4P2O7和KOH为活化剂制备活性炭,对比研究两种活性炭的性质。其中KOH制备活性炭的比表面积和总孔容(SBET=3500 m2 g~(-1),Vtot=2.872 cm3 g~(-1))分别是H4P2O7制备活性炭的比表面积和总孔容(SBET=926 m2 g~(-1),Vtot=1.452 cm3 g~(-1))的3.8倍和2倍。KOH-活性炭和H4P207-活性炭表面均含有丰富的酸性官能团,KOH-活性炭表面官能团含量略微高于H4P207-活性炭表面官能团含量。两种炭对酸性大红的吸附均符合伪二级动力学模型和Langmuir吸附等温模型,KOH-活性炭和H4P2O7-活性炭对酸性大红最大吸附量分别为2500mg g~(-1)和454.6mgg~(-1)。两种炭对酸性大红的吸附是物理吸附和离子交换共同作用的结果。(5)新型活化剂的探索实验,采用六种碱盐,包括碳酸钾、碳酸钠、硅酸钾、硅酸钠、硼酸钾和铝酸钠,为新型活化剂,制备浒苔活性炭。其中碳酸钾、硅酸钾和铝酸钠是制备高比表面积活性炭的良好活化剂,所制备活性炭的比表面积分别为2395 m2g~(-1)、1770m2 g~(-1)和1329m2 g~(-1)。通过单因素实验系统考察了以浒苔为前驱体,铝酸钠为活化剂,浸渍比、活化温度、活化时间对炭孔径结构的影响。当浸渍比3:1,活化温度800℃,活化时间0.5 h时,制备出活性炭的比表面积和孔容高达1374m2 g~(-1)和1.150m3 g~(-1),平均孔径为3.348nm。属于中孔发达活性炭,适合吸附大分子污染物,对酸性大红的最大吸附量高达1000 mg g~(-1)。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X703

【参考文献】