柚皮活性炭制备及其氨吸附性能研究

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氨(NH3)排放造成的大气污染问题不断加重,直接危害人类健康,开发高效便捷的活性炭吸附净化技术受到人们广泛关注。传统的活性炭用不可再生化石能源制备,成本很高,寻找新原料来源是吸附技术的关键。柚子是世界上种植最广泛的作物之一,通常柚皮未被利用就被丟弃,其富含膳食纤维,是制备活性炭的良好原料。将柚皮回收、经炭化处理制成吸附剂材料,既减轻生态环境负担,又能提高柚子废弃物的利用价值。不少学者把目光对准柚皮,但利用氯化锌活化柚皮制备活性炭并应用于氨吸附的研究鲜有报道。本文首先以柚皮为原料,氯化锌为活化剂,经高温碳化制备活性炭。探讨了原料乙醇处理和空气、氮气两种气氛下制备对材料比表面积的影响,研究活化温度、浸渍比、活化时间对产物的形貌结构和孔隙特征的影响。结果表明:柚皮经乙醇处理,有助于产物活性炭BET表面积的增加及孔结构形成;在氮气气氛下,抑制了氧化反应的发生,能防止孔隙破坏、减少孔道堵塞,从而制出具有大比表面积和发达孔结构的活性炭。在活化温度400℃、浸渍比为1.25、活化时间为60min时,所制备的活性炭比表面积可达1325.9m2/g,产物表面存在大量羧基、羟基和胺基基团。其次,采用DM设计对柚皮炭的制备工艺条件进行改进,得到关于活性炭产量和氨吸附性能的二阶预测模型。结果表明:在DM设计实验选择的活化温度和浸渍比范围内,所有的响应结果说明,活化温度的影响均大于浸渍比,所得活性炭的产率在31%以上;以活性炭氨吸附值为优化目标,最优制备条件为:活化温度417℃,浸渍比为1.27,在该条件下制备的柚皮炭产率为37.89%、在含氨模拟废气浓度200ppm下,预测氨吸附值为5.23mg/g,实际值为5.28mg/g。制备的柚皮炭在外观形貌、孔隙结构和氨吸附效果要优于普通的商品活性炭。最后,采用浸渍法对优化制备的柚皮炭PPAC进一步改性,探讨了氯化物种类、浓度水平等改性操作参数对材料氨吸附性能的影响,并测试了其再生循环性能。结果表明:柚皮炭负载金属氯化物后,仍具有较高的比表面积和孔容,热重测试结果表明负载量与理论值十分接近。其中,负载氯化镍的PPAC吸附剂性能最优;且氯化镍负载量为20wt.%时(PPAC-NiCl2-20%),材料具有最高的氨吸附性能,破点容量和平衡容量分别是50.05mg/g和64.82mg/g。吸附剂经过5次吸附—再生循环使用后,孔隙结构没有太大变化。材料多次再生后的氨吸附性能有所降低,破点容量和平衡容量稳定在42mg/g和58mg/g附近,吸附能力仍在一个较高的范围,负载在PPAC上的NiCl2贡献了主要的氨吸附量。
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