黄芪废渣活性炭的制备、改性及其吸附性能研究

发布时间：2020-03-23 15:09

【摘要】：我国的中药资源十分丰富,每年消耗大量中草药的同时也随之产生了大批量的中药废渣。黄芪废渣作为中药废渣的一种,年产量大,来源广泛。目前,大批量的黄芪废渣被当作工业垃圾或生活垃圾,进行堆放、焚烧或者填埋处理,不仅造成资源浪费还严重污染环境。与此同时,随着近代工业的快速发展,各种重金属与有机物对环境的污染日趋严重,世界资源的紧缺趋势渐显,因此对中药废渣进行二次利用,达到以废治废的目的成为研究的热点。本课题选取黄芪废渣作为原料,以氢氧化钾为活化剂制备黄芪废渣活性炭(ASC),并采用高锰酸钾(KMnO4)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)分别对ASC进行改性,并将改性前后的活性炭用于对水溶液中重金属离子Cu2+、Cd2+与有机物质甲苯与苯胺的吸附。通过单因素实验研究氢氧化钾浓度、浸渍比、活化时间、活化温度等对活性炭吸附性能和产率的影响,确定最佳ASC制备条件。研究改性剂浓度、改性时间等对ASC表面性质及吸附性能的影响,确定最佳改性条件。利用扫描电子显微镜、比表面积测定和X射线衍射等分析手段对改性前后的ASC进行表征。通过静态吸附实验考察了溶液pH值、吸附剂用量、时间等因素对吸附过程的影响,并进行了吸附等温拟合和动力学研究,深入研究改性前后ASC对重金属离子和有机物的吸附性能。实验结果表明,以氢氧化钾为活化剂制备ASC的最佳工艺条件是:氢氧化钾浓度为20%,浸渍比(氢氧化钾溶液体积(mL):黄芪废渣质量(g))3:1,活化温度600℃,活化时间80min。黄芪废渣经活化炭化后,比表面积为1519.53m2/g;扫描电镜结果显示,ASC的表面变得粗糙多孔,出现了蜂窝状孔隙结构;XRD图显示,活性炭产生了石墨微晶结构,增加了活性炭的稳定性。以KMnO4为氧化剂改性ASC的最佳条件为:KMnO4浓度为0.15mol/L,浸渍比(ASC质量(g):KMnO4溶液体积(L))为10:1,改性温度为98℃,时间90min。将KMnO4改性前的ASC与改性后的ASC-Mn用于Cd2+、Cu2+的吸附。在Cd2+溶液浓度为100mg/L,溶液pH值为6.0,吸附时间为60min,投加量为2g/L的条件下,ASC和ASC-Mn对Cd2+的吸附率分别为73.10%、97.24%。根据Langmuir吸附等温式计算ASC和ASC-Mn对Cd2+的饱和吸附量分别为116.96mg/g、217.86mg/g。在Cu2+溶液浓度63.5mg/L,溶液pH值为5.0,吸附时间为60min,投加量为2g/L条件下,ASC和ASC-Mn对Cu2+的吸附率分别为98.20%、100%。根据Langmuir吸附等温式计算ASC和ASC-Mn对Cu2+的饱和吸附量分别是125.73mg/g、196.46mg/g。ASC-Mn对Cd2+和Cu2+的吸附动力学符合准二级动力学方程。KMnO4氧化改性之后,改性产物对Cd2+和Cu2+的饱和吸附量显著增加,主要是因为改性之后的黄芪废渣活性炭表面负载了大量的二氧化锰,含氧官能团的数量较改性前显著增加。CTAB改性ASC的最佳条件是:CTAB浓度为0.05mol/L,浸渍比(ASC质量(g):CTAB溶液体积(L))10:1,改性时间7h,改性温度70℃。将CTAB改性前的ASC和改性后的ASC-N用于对有机物甲苯和苯胺的吸附。在甲苯溶液浓度为200mg/L,溶液pH值为7.5,投加量2g/L,时间60min的条件下,ASC和ASC-N对甲苯的吸附率分别为54.79%、80.05%。根据Langmuir吸附等温式计算,ASC和ASC-N对甲苯的饱和吸附量分别为178.88mg/g、266.18mg/g。在苯胺溶液浓度为100mg/L,溶液pH值为6.5,投加量2g/L,时间60min条件下,ASC和ASC-N对苯胺的吸附率分别为27.92%、82.45%。根据Langmuir吸附等温式计算,ASC和ASC-N对苯胺的饱和吸附量分别为74.51mg/g、121.54mg/g。ASC-N对甲苯和苯胺的吸附动力学符合准二级动力学方程。CTAB改性之后,改性产物对甲苯和苯胺的饱和吸附量显著增加,是因为改性之后的黄芪废渣活性炭表面极性含氧官能团减少,非极性基团增加,对弱极性或非极性物质的亲和力增加。利用黄芪废渣制备活性炭,降低制备活性炭的成本,为黄芪废渣的资源化利用找到一条合理的出路;将改性前后的ASC用于对重金属离子及有机物的吸附,不仅有效控制和治理环境污染,还为污染治理技术奠定了良好的基础。
【图文】：

SEM图,比表面积,活性炭,微孔

表 2-2 黄芪废渣活性炭的基本性质样品水分/% 灰分/% 挥发分/% 固定碳% C/% H/% N/%ASC 4.12 7.38 15.42 73.08 70.41 3.52 0.50积炭的比表面积是表征其吸附性能的有效指标之一，较大的比表面积预示着其能力。活性炭的孔结构包括微孔、中孔和大孔，而微孔对活性炭吸附起支配小分子物质[28]。ASC的比表面积为1519.53m2/g，微孔比表面积为1386.53m2 是一种前景广阔的吸附剂。镜a b

扫描电镜图,碘吸附值,活性炭

比表面积(m2/g) 1519.53 774.13总孔容(cm3/g) 1.04 0.66微孔比表面积(m2/g) 1386.53 596.59碘吸附值(mg/g) 1325.17 994.66亚甲基蓝值(mg/g) 139.45 95.68附值与亚甲基蓝吸附值般认为，碘吸附值的大小与活性炭中微孔的多少有很好的关联性，，而亚甲蓝径较大，其吸附值的大小主要表征活性炭中孔的多少[51]。从表 3-2 中可以看渣活性炭和氧化改性产物都具有较高的碘吸附值，说明二者均具有大量的微电镜ab
【学位授予单位】：宁夏医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R284

【参考文献】