基于亚铁盐合成涤纶纺织边角料多孔炭实验研究

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目前,我国经济建设不断加速,其中数量扩张型的纺织工业发展使得能源与资源消耗面临着巨大的压力,随之产生的大量纺织废弃物的处理处置问题亦成为我们当前面临的严峻挑战之一。涤纶纺织边角料作为产量最大的纺织废弃物之一,其成分复杂、难生物降解且传统处理方式易对环境造成严重污染,而现阶段回收利用方法亦存在回收利用率低、流程繁琐及运行费用偏高等不足。近年来,国内外学者逐渐开展以纺织废弃物为原料经热解-活化技术制备多孔炭的研究,但所用传统活化剂虽然性能优异,但仍存在毒性较高、易产生二次污染及较易腐蚀设备等问题。因此,本研究采用绿色低污染的新型铁盐活化剂,利用热解-活化解技术制备高品质涤纶纺织边角料多孔炭,通过活化剂的筛选、物化性质分析、工艺参数的优化及成孔机理的研究,得出FeCl2的活化性能较为优异,阐明在其活化作用下多孔炭的成孔历程,并进行铬黑T和Cr(VI)模拟废水的吸附实验研究,为其实际应用奠定一定的基础。本论文的主要研究成果如下:(1)选取三种不同铁盐FeCl3,FeCl2及FeSO4为活化剂制备多孔炭,通过表征测试分析,初步探究基于不同铁盐制备涤纶纺织边角料多孔炭的成孔特性差异,结果表明:FeCl2与FeCl3能够增大多孔炭类石墨结构的混乱程度,提高表面活性,增强吸附能力,炭样表面形成C-Cl官能基团,均表现出较为优异的活化效果,能显著改善原料的热解途径,比表面积高达1400 m2/g左右,其中前者具有较为发达的介孔结构,较大的孔径与孔容,更有助于大分子污染物的吸附。AC-FeSO4则未发现C-S官能基团的存在,孔隙形成可能主要依赖于铁系模板剂与气体产物协同成孔效应,比表面积仅为380 m2/g。因此,筛选出FeCl2为整体效果相对优异的铁盐活化剂。(2)以FeCl2为活化剂制备涤纶纺织边角料多孔炭,通过单因素实验和Box-Behnken响应曲面法得出,模型对表面积响应值拟合效果良好,拟合度高达91%,活化温度对多孔炭的比表面积影响最为显著,且最优工艺参数为:质量比1:1,活化温度700°C以及活化时间1.5 h,该参数下比表面积预测值达1420.19 m2/g。进一步通过BET、TG-FTIR-GC/MS、TEM及XRD等表征测试分析,阐明Fe2+和Cl-的协同作用下多孔炭的潜在成孔机理,结果表明:一方面,Cl-能够促进加成反应的发生,形成碳链结构,再经环化、芳构化以及空间交联过程,最终形成丰富的孔道结构;另一方面,Fe2+能有效抑制热解过程中焦油的产生,增强固碳作用,热解转化形成的铁氧化物具备一定的模板效应,有利于孔隙生成。(3)将最优炭样分别进行铬黑T与Cr(VI)模拟废水的吸附实验研究,结果表明:随pH值的增大,两种污染物的去除率呈逐渐减小的趋势,在pH为2时去除率达到最大,这主要与多孔炭和吸附质表面所带电荷及表面官能基团等因素密切相关。其中,铬黑T的过程符合Langmuir吸附等温模型,最大吸附量为523.01mg/g,为单分子层吸附,该过程可能与孔隙填充、静电吸附、π-π键及氢键等物化作用相关。而Cr(VI)的吸附过程则更符合Freundlich吸附等温模型,最大吸附量为113.56 mg/g,为多分子层吸附,可能伴随着孔隙填充、静电效应及表面基团还原等共同作用。
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