竹材加工剩余物制备竹活性炭及其吸附性能的研究

摘要

环境污染与资源短缺是社会发展所面临的两大问题,废弃物资源化既能减少环境污染,又能节约资源。竹材是一类重要的生物质资源,在竹材加工的过程中,会产生大量的竹材剩余物,将这些竹材剩余物制备成竹炭和竹活性炭当作吸附材料后能充分发挥其丰富纤维与多孔的生物质结构特性,在处理中环境污染中,具有很高的利用价值。
　　 本论文中将竹材加工剩余物按竹枝、竹节和竹篼3个部位收集,将每个部位烧制竹炭,再将制备好的竹炭按一定的活化剂与竹炭质量比分别加入碱式活化剂与酸式活化剂进行活化,制备成两种性质的竹活性炭,然后对苯酚、亚甲基蓝、酸性品红和Pb2+这几种不同性质的环境污染物质进行吸附性能的测试。研究了时间、温度和溶液浓度来对各部位竹炭活化前后吸附上述污染物质性能的影响,最后对竹炭与竹活性炭进行了结构表征,了解其内部机理。研究结果表明:
　　 (1)竹篼部位制备的竹炭对苯酚、亚甲基蓝、酸性品红和Pb2+的吸附效果在3种不同部位的竹炭中是最好的。竹炭碱式活化时,KOH与竹炭质量比为0.8:1时,竹活性炭吸附效果最好；竹炭酸式活化时,H3PO4与竹炭质量比为0.6:1时,竹活性炭吸附效果最好。在最佳活化工艺的条件下,竹篼活性炭是3种不同部位竹活性炭中吸附性能最好的。
　　 (2)采用最佳活化工艺制备的竹篼活性炭对污染物进行吸附测试中,竹活性炭对苯酚的最佳吸附时间在30～40min,最佳吸附温度在30℃左右,碱式竹活性炭最大吸附量96.62mg/g,酸式竹活性炭最大吸附量92.6mg/g。对亚甲基蓝的最佳吸附时间在120～130min,最佳吸附温度在30～40℃,碱式竹活性炭最大吸附量266.4mg/g,酸式竹活性炭最大吸附量272.3mg/g。对酸性品红的最佳吸附时间在150min左右,最佳吸附温度在40℃左右,碱式竹活性炭最大吸附量290.5mg/g,酸式竹活性炭最大吸附量277.1mg/g。对Pb2+的最佳吸附时间在180～200min左右,最佳吸附温度在10℃左右,碱式竹活性炭最大吸附量82.03mg/g,酸式竹活性炭最大吸附量91.1mg/g。
　　 (3)通过结构表征解析了竹炭和竹活性炭的吸附机理。通过SEM扫描和孔隙度分析,竹炭和竹活性炭具有较大的孔隙,未活化的竹篼炭孔隙度为0.740,碱式竹篼活性炭的孔隙度为0.790,酸式竹篼活性炭则为0.755,活化后孔隙度增加。竹炭高温活化后,表面基团有一定的改变,酸法活化的竹活性炭的酸性基团增加,对碱性污染物和重金属离子的吸附效果更好,碱法活化的竹活性炭的碱性基团增加,适合处理酸性污染物。本实验制备的竹活性炭的孔径大小平均在20(A)左右。竹篼炭的比表面积为110.3536m2/g,经碱式活化法活化后比表面增加到475.6645m2/g,酸式活化法活化后增加到462.0694 m2/g,比表面积比未活化前增大了4倍；竹活性炭的总孔容也比竹炭增大了很多,竹篼炭为0.09047cm3/g,碱式活性炭为0.260533cm3/g,酸式活性炭为0.235291cm3/g。竹炭活化后,由于比表面积和总孔容大大增加,从而使竹活性炭吸附性能增强。竹活性炭内部结构以大孔较多,竹活性炭适合于吸附较大分子物质。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

1.1 环境污染现状

1.1.1 水体污染现状

1.1.2 大气污染现状

1.2 竹材资源及利用概况

1.3 竹炭研究

1.3.1 竹炭的国内外研究现状

1.3.2 竹炭的制备

1.3.3 竹炭的分类

1.3.4 竹炭的吸附性能

1.3.5 竹炭的综合利用前景

1.4 研究意义与目的

第二章 实验技术与测试方法

2.1 主要原料与试剂

2.2 实验主要仪器

2.3 实验与分析方法

2.3.1 竹炭的制备

2.3.2 竹炭的活化

2.3.3 竹炭与竹活性炭的吸附性能实验

2.4 竹炭与竹活性炭内部结构测试

2.4.1 竹炭和竹活性炭表面基团的红外光谱测定

2.4.2 竹炭和竹活性炭的扫描电镜测定

2.4.3 竹炭和竹活性炭孔隙度测定

2.4.4 竹炭和竹活性炭的比表面积测定

第三章 竹炭活化制备竹活性炭工艺与吸附性能研究

3.1 竹炭活化制备竹活性炭的工艺

3.1.1 碱式活化法

3.1.2 酸式活化法

3.2 活化剂与竹炭质量比对几种预测物质吸附性能的影响

3.2.1 活化剂与竹炭质量比对苯酚吸附性能的影响

3.2.2 活化剂与竹炭质量比对亚甲基蓝吸附性能的影响

3.2.3 活化剂与竹炭质量比对酸性品红吸附性能的影响

3.2.4 活化剂与竹炭质量比对Pb2+吸附性能的影响

3.3 竹活性炭对苯酚的吸附性能研究

3.3.1 时间对竹活性炭吸附苯酚的影响

3.3.2 温度对竹活性炭吸附苯酚的影响

3.3.3 溶液浓度对竹活性炭吸附苯酚的影响

3.4 竹活性炭对亚甲基蓝的吸附性能研究

3.4.1 时间对竹活性炭吸附亚甲基蓝的影响

3.4.2 温度对竹活性炭吸附亚甲基蓝的影响

3.4.3 溶液浓度对竹活性炭吸附亚甲基蓝的影响

3.5 竹活性炭对酸性品红的吸附性能研究

3.5.1 时间对竹活性炭吸附酸性品红的影响

3.5.2 温度对竹活性炭吸附酸性品红的影响

3.5.3 溶液浓度对竹活性炭吸附酸性品红的影响

3.6 竹活性炭对Pb2+的吸附性能研究

3.6.1 时间对竹活性炭吸附Pb2+的影响

3.6.2 温度对竹活性炭吸附Pb2+的影响

3.6.3 溶液浓度对竹活性炭吸附Pb2+的影响

第四章 不同部位竹活性炭结构表征

4.1 竹炭和竹活性炭的SEM扫描图分析

4.2 竹炭和竹活性炭的孔隙度

4.3 竹炭和竹活性炭的红外光谱图分析

4.4 竹炭与竹活性炭的比表面积测定

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 论文主要创新点

5.3 展望

参考文献

附录

致谢