滸苔基高比表面積活性炭的制備及其性能研究.pdf

1、由于溫室效應(yīng)及水體富營養(yǎng)化等原因，造成滸苔綠潮頻頻暴發(fā)，大量滸苔漂浮聚集在岸邊，阻塞航道，嚴(yán)重破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)及沿海旅游業(yè)發(fā)展。滸苔富含碳水化合物、蛋白質(zhì)、纖維素、半纖維素及礦物質(zhì)等，具有作為活性炭原材料的潛力?；诖?，本文以滸苔為前驅(qū)體，引入響應(yīng)面模型，通過化學(xué)活化法制備出了高比表面積活性炭，不僅減緩了活性炭產(chǎn)業(yè)對煤炭資源的過度消耗和依賴，也有利于實現(xiàn)滸苔廢物的循環(huán)利用，同時創(chuàng)造一定的環(huán)境和經(jīng)濟效益。本文利用比表面測定儀、掃描電子顯微

2、鏡(SEM)、X-射線衍射儀(XRD)、傅里葉紅外光譜儀(FTIR)、貝姆滴定和X-射線光電子能譜(XPS)等分析技術(shù)探討了活性炭的孔徑結(jié)構(gòu)、表面形貌和化學(xué)官能團等方面的特性。考察了滸苔活性炭對酸性大紅染料分子的吸附特性，研究了接觸時間、吸附質(zhì)濃度及溶液溫度對吸附行為的影響。通過恒流充放電、循環(huán)伏安、交流阻抗等電化學(xué)方法首次探討了滸苔活性炭材料的電化學(xué)性能。本文著重開展了以下幾個方面的研究:
　　(1)廢棄物優(yōu)選實驗:將滸苔、石油

3、焦、造紙黑液木質(zhì)素及頭發(fā)四種廢棄物與活化劑焦磷酸或氫氧化鉀混合，在相同的工藝條件制備活性炭。四種原料、兩種活化劑作用下活性炭的孔徑結(jié)構(gòu)特征和化學(xué)性質(zhì)通過氮氣吸附/脫附試驗、掃描電鏡和傅里葉紅外光譜等現(xiàn)代分析手段進(jìn)行對比研究。結(jié)果表明，制備活性炭比表面積大小排序為:KOH-滸苔炭(3471m2g-1)＞KOH-黑液木質(zhì)素炭(3119m2g-1)＞KOH-頭發(fā)炭（2521m2g-1）＞KOH-石油焦炭（1344m2g-1）＞H4P2O7-滸

4、苔炭(1094m2g-1)＞H4P2O7-頭發(fā)炭(723m2g-1)＞H4P2O7-石油焦炭(117m2g-1)＞H4P2O7-造紙黑液木質(zhì)素炭（104m2g-1）。與造紙黑液木質(zhì)素、頭發(fā)及石油焦相比，滸苔更適合或者說更容易制備出高表面積活性炭。
　　(2)焦磷酸優(yōu)化實驗:以滸苔做原料，焦磷酸做活化劑，利用響應(yīng)面模型系統(tǒng)考察了浸漬比、活化溫度、活化時間三因素對活性炭孔結(jié)構(gòu)的影響及各因素之間的交互影響。研究表明，影響產(chǎn)品比表面積大小

5、的主次順序為浸漬比＞活化時間＞活化溫度。在交互作用影響中，浸漬比和活化時間的交互作用對比表面積影響最大，活化溫度與活化時間的交互作用影響次之，浸漬比與活化溫度的交互作用影響最小。最優(yōu)工藝參數(shù)為:浸漬比1.26∶1，活化溫度455℃，活化時間48min。所制備的滸苔活性炭比表面積為1147m2g-1，含有豐富的介孔，更加適合于對大分子污染物的去除。
　　(3)氫氧化鉀優(yōu)化實驗:以滸苔做原料，氫氧化鉀做活化劑，通過響應(yīng)面模型探討了浸漬

6、比、活化溫度、活化時間對活性炭孔隙結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，各因素對比表面積、微孔率及平均孔徑影響的主次順序均遵循以下規(guī)律:活化溫度＞浸漬比＞活化時間。通過響應(yīng)面圖、等高線圖和方差分析得出，各因素對比表面積的交互作用不是非常明顯，但對微孔率和平均孔徑的交互作用顯著。最佳工藝制備條件為:浸漬比1.1∶1，活化溫度850℃，活化時間60min，在較低的活化劑作用下，即可得到比表面積高達(dá)3038m2g-1的活性炭產(chǎn)品。以最佳條件下制備的高比表面積

7、活性炭作為雙電層電容器電極材料，結(jié)果表明，在電流密度為0.5Ag-1，電極材料比電容為230Fg-1，當(dāng)電流密度升高到5.0Ag-1，電極材料比電容仍保持了200Fg-1，為初始值的86.96％。炭電極等效串聯(lián)電阻為0.1765Ω，說明所制備的活性炭電極材料具有較好功率密度和倍率性能。
　　(4)對比試驗:以滸苔做原料，H4P2O7和KOH為活化劑制各活性炭，對比研究兩種活性炭的性質(zhì)。其中KOH制備活性炭的比表面積和總孔容(SBE

8、T=3500m2g-1，Vtot=2.872cm3g-1)分別是H4P2O7制備活性炭的比表面積和總孔容(SBET=926m2g-1，Vtot=1.452cm3g-1)的3.8倍和2倍。KOH-活性炭和H4P2O7-活性炭表面均含有豐富的酸性官能團，KOH-活性炭表面官能團含量略微高于H4P2O7-活性炭表面官能團含量。兩種炭對酸性大紅的吸附均符合偽二級動力學(xué)模型和Langmuir吸附等溫模型，KOH-活性炭和H4P2O7-活性炭對酸性

9、大紅最大吸附量分別為2500mgg-1和454.6mgg-1。兩種炭對酸性大紅的吸附是物理吸附和離子交換共同作用的結(jié)果。
　　(5)新型活化劑的探索實驗，采用六種堿鹽，包括碳酸鉀、碳酸鈉、硅酸鉀、硅酸鈉、硼酸鉀和鋁酸鈉，為新型活化劑，制備滸苔活性炭。其中碳酸鉀、硅酸鉀和鋁酸鈉是制備高比表面積活性炭的良好活化劑，所制備活性炭的比表面積分別為2395m2g-1、1770m2g-1和1329m2g-1。通過單因素實驗系統(tǒng)考察了以滸苔為前