麻竹叶活性炭的制备及其对印染废水中常见污染物的吸附性能研究

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麻竹(Dendrocalamus latiflorus Munro)是一种生长迅速的木质丛生竹,广泛分布于我国南方各省,竹材采伐过程中,大量麻竹叶被就地丢弃或集中焚毁。为实现麻竹叶的高效利用,本研究主要探索麻竹叶经高浓度乙醇和热水浸提生物活性成分所剩残渣制备活性炭的工艺,并研究所制活性炭对印染废水中常见有机污染物的吸附性能。通过对常用活化剂(磷酸、氯化锌、氢氧化钠、氢氧化钾)和拌样方法(浸渍、湿法拌样、干法拌样)的考察,氢氧化钾活化效果最好,最佳拌料方法为湿法拌样;在单因素试验基础上,以麻竹叶活性炭得率、碘吸附值和亚甲基蓝吸附值的综合评分为考察指标,采用响应面结合熵值权重法优化其活化工艺,结果表明最佳活化工艺为料碱比3∶1、活化温度850℃、活化时间120 min;以活性炭灰分为指标考察其脱灰工艺,最佳脱灰工艺为水洗→碱洗→酸洗→水洗,水洗体积比1∶3,碱液浓度2 mol/L,碱洗料液比1∶15,酸洗浓度0.5 mol/L,酸洗料液比1∶15;上述条件下,该活性炭的平均得率为25.37%,碘吸附值为1219.35 mg/g,亚甲基蓝吸附值为504.70 mg/g,灰分为3.86%;对该活性炭的物理结构和表面化学性质进行表征,SEM-EDS结果表明该活性炭孔隙丰富,碳元素占比70%以上,还含少量矿物质以及其它微量元素;XRD表明该活性炭中的碳为无定型态,且是以类石墨微晶堆叠而成;XPS和FT-IR分析表明其含有一定C-C、C=O和C-O等官能团;氮气吸附-脱附分析结果表明SBET为1156.69 m~2/g,总孔容为0.669 cm~3/g,平均孔径为4.4 nm。通过对活化剂和洗涤剂循环利用研究,结果表明活化剂、碱洗液和酸洗液可分别循环使用6次、12次和11次,可分别节省78.50%、76.45%和66.00%,极大地降低了工艺成本;在小试基础上进行放大试验(100倍),活性炭平均得率为24.75%,碘吸附值为1204.13 m~2/g,亚甲基蓝吸附值为519.00 m~2/g,与小试结果相符,表明工艺稳定可行;粗略估算该工艺生产成本为5263元/吨,毛利率为44.6%,具有一定经济效益和应用前景。麻竹叶活性炭对亚甲基蓝(MB)、孔雀石绿(MG)、刚果红(CR)和结晶紫(CV)等印染废水中常见污染物的最大吸附量分别为550mg/g、663 mg/g、45.80 mg/g、46 mg/g(20℃),优于大多数生物质活性炭;通过伪一级和伪二级动力学拟合,麻竹叶活性炭对上述四种污染物的吸附更符合伪二级动力学方程;颗粒内扩散方程拟合显示,其吸附速率同时受颗粒内扩散和颗粒外扩散控制。该活性炭对上述四种污染物的吸附等温线拟合均遵循Langmuir方程,结合热力学参数说明该过程是以物理吸附为主的单分子层吸附。本文对麻竹叶渣制备活性炭的工艺进行了深入系统研究,并将制备的活性炭用于处理印染废水中常见污染物,为进一步实现“以废治废”奠定了基础,丰富了活性炭的制备原料,为高效利用麻竹叶资源提供参考依据。
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