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【研究】碳酸钾化学活化木纤维废弃物对富氮活性炭中苯酚的吸附

发布日期:2018-10-08 14:04 来源:活性炭网 作者:活性炭网 浏览数:

研究了从木纤维板废料中制备富氮活性炭。 获得活性炭,浸渍比(克化学试剂/克木纤维板废料)为3,用50%碳酸钾溶液在800℃活化温度下碳化1小时。 确定最佳吸附条件作为接触时间,

研究了从木纤维板废料中制备富氮活性炭获得活性炭,浸渍比(克化学试剂/克木纤维板废料)为3,用50%酸钾溶液在800℃活化温度下化1小时。确定最佳吸附条件作为接触时间,pH和活性炭剂量以及溶液温度对苯酚吸附的影响的函数。在给定的苯酚浓度250mg / L下,在120分钟内达到吸附平衡。当使用0.3g碳吸收剂和100mL 250mg / L的苯酚溶液时,苯酚在活性炭上的最大吸附容量可达到208mg / g。在吸附等温线中,Langmuir模型在苯酚吸附中优于Freundlich模型。

 

关键词
苯酚吸附; 活性炭; 木纤维板废料
介绍
由于苯酚的毒性和可能的​​环境积累,酚类是高度优先考虑的污染物。苯酚被从工业废水中引入地表水,例如来自煤焦油,汽油,塑料,橡胶打样,消毒剂,制药和钢铁工业以及家庭废水,农业径流和化学品泄漏的工业废水。已经提出了各种方法来处理含有有机和无机污染物的废水。这些过程是基于沉淀和凝结,化学氧化,沉淀,过滤,吸附,渗透,离子交换等的原则[ 12 ]。
吸附技术已被广泛研究用于从水溶液中去除有机和无机微污染物。使用中有许多吸收剂。活性炭是最广泛用于从水中除去各种有机物的,但与之相关的缺点是由于使用不可再生且相对昂贵的起始材料如煤而具有高再生成本,这是一个主要的经济考虑因素。这促使人们对从当地可获得的材料生产活性炭的研究兴趣不断增加,特别是对于废木材的应用[ 3]。已发现几种木材加工残余物和农业残余物是生产活性炭的合适前体。因为从这些材料中获得的生物质更便宜,可再生且可大量获得并且具有高碳和低灰分[ 4 ]。
在过去的几年中,增强的吸附能力朝向苯酚在活性炭上目前已接收极大的关注[ 56 ]。由于引入含氮表面基团使活性炭更具碱性,因此预计会增加酸性试剂的吸附。因此,富氮活性炭可以提高吸附酚类化合物的能力[ 7]。然而,商业上使用的活性炭中的氮含量非常低。有几种制备具有提高的氮含量的活性炭的方法。用于合成含氮多孔碳的方法可分为两组。首先,它是常规的活性炭在高温下与氨,氨-空气或氨-水蒸气混合物[治疗8 - 10 ]。第二种方法在于含氮前体[的冷凝相热解11 - 13 ]或合适的氮载体的具有共同碳前体共热解,然后将所得字符[活化14 - 17]。在上述制备含氮活性炭的方法中,非常有必要找到更具成本效益的生产方法。从木材废料中开发活性炭产品的潜力很大。在废木纤维板中,通过使用含氮氨基塑料粘合剂如脲 - 甲醛和三聚氰胺 - 甲醛树脂将氮引入木基质中。含氮粘合剂通过木纤维板分散。因此,从废木材制备富氮活性炭及其对苯酚的吸附行为将是一个有趣的研究课题。
这项工作的目的是说明苯酚在由木纤维板废料制备的硝基富集活性炭上的吸附。研究了一系列重要因素,如接触时间,吸附剂用量,pH值和温度。此外,还回顾了吸附等温线和吸附动力学研究。
材料和方法
物料
废纤维板(WFB)由北京林业大学木材厂提供。WFB由杨木和脲醛树脂(10%)组成,苯酚,碳酸钾(K 2 CO 3)和盐酸(HCI)为分析纯,购自北京兰怡化工(中国北京)。双蒸水用于制备所有需要的溶液。
活性炭的制备
活性炭的制备分为两个步骤。第一步是碳酸化,将WFB切成250×20×5mm的片,将这些片以100℃/ h的加热速率加热至500℃的碳化温度,并在该温度下保持1小时。然后将样品接地并用筛子筛分。粒径的分数范围为40-60目。将颗粒样品在105℃的烘箱中干燥4小时。
在活化步骤中,将3g烘箱干燥的样品在50%K 2 CO 3溶液中浸泡16小时,研究浸渍(革兰化学剂/克WFB废物)为3.然后将浸泡的样品放入电动炉子以10℃/ min -1的加热速率加热至约800℃。样品在该温度下保持50分钟,然后冷却,接着依次用0.5N HCl溶液洗涤。用热蒸馏水反复洗涤活性炭,直至溶液的pH达到约6-7。最后,将这些活性炭在105℃的烘箱中干燥4小时。
苯酚吸附过程
吸附动力学和平衡研究在环境温度下进行。将已知量的吸附剂放入含有100mL预定浓度的苯酚水溶液的烧瓶中[ 18 ]。烧瓶是密闭的,不仅是为了避免挥发造成的苯酚损失,而且也是为了防止氧气进入,氧气已知会通过氧化偶联导致不可逆的苯酚吸附[ 19 ]。然后将烧瓶摇动100分钟。在吸附过程结束时,使用0.45mm膜过滤掉吸附剂颗粒。在UV-2102c分光光度计(Unico,USA)中通过UV吸收测量残留的苯酚浓度,波长λmax= 270nm [ 20 ]。
平衡时的吸附量qe(mg / g)通过下式计算:
e =(c 0 -c e)×v / w(1)
其中c 0和c e(mg / L)分别是初始阶段和平衡阶段的苯酚浓度。V是溶液(L)的体积,w是所用吸附剂的质量(g)。
结果与讨论
所制备的活性炭的特征
制备的活性炭的性质通过表1中总结的标准方法测定。制备的活性炭的元素分析(碳,氢和氮的含量)如在CHNS分析仪中制备(Flash,EA.1112系列,Thermo) Finnigan San Jose,CA)。基于ASTM D4607-94(ASTM 2011),在303K下测定碘值使用ASAP 2010分析仪(Micro meritic Norcross,GA),通过N 2吸附等温线在-196℃下测量活性炭的孔结构特征Brunauer-Emmett-Teller(BET)表面积通过使用BET方程由N2吸附等温线计算。
接触时间的影响
将0.1g活性炭样品放入含有100mL缓冲的苯酚水溶液的250mL烧瓶中。苯酚的初始浓度为250mg / L. 结果如图1所示。
填充吸附剂并且苯酚的吸附逐渐变慢并达到平台。苯酚去除率与时间曲线是单一,平滑和连续导致饱和,表明苯酚可能在吸附剂表面覆盖单层[ 21 ]。
在该实验中,平衡时间为120分钟,其中50%K 2 CO 3浸渍样品的活化为1576m 2 / g ,获得最大表面积同时,WFB活性炭的容量为208 mg / g,苯酚去除率为83%。Tancredi等人。22 ]报道,桉树木活性炭的苯酚吸附量在750 min内为64 mg / g,苯酚去除率可达32%。在Mohanty等人报道的一项研究中。23来自Sterculia alata坚果壳的活性炭的容量可达到140mg / g,并且在300分钟内苯酚去除率达到80%。与这两项研究报告的结果相比,本研究中苯酚去除率更高,平衡时间更短。因为含氮表面基团的引入使得活性炭更具碱性,所以预期苯酚的吸附增加。
由于吸附速率在约120分钟时恒定,因此当接触时间从120分钟增加到180分钟时吸附没有显着增长。因此,所有进一步实验的最佳接触时间设定为120分钟。
活性炭用量的影响
为了研究吸附剂用量对吸附的影响,进行了实验,苯酚的初始浓度保持在250mg / L,吸附剂用量不同的样品为0.01-0.30g(0.01g,0.02g,0.05g,0.15)。在100mL无缓冲的苯酚水溶液中加入0.20g 0.25g 0.30g。结果如图2所示。
从图2中可以观察到。活性炭含量为0.25g时,苯酚吸附剂量达到最大值,随着活性炭用量的增加,单位吸附量显着下降。随着吸附剂剂量的增加,苯酚的去除率急剧下降。当吸附剂剂量从0.1g进一步增加至0.3g时,观察到苯酚吸附显着增加。在任何情况下,因为引入含氮表面基团使活性炭更加碱性。苯酚吸附百分比的增加是由于更大表面积和更多活性官能团的可用性[ 24 ]。结果,活性炭的最佳剂量为0.25g。
Murat Kilic等人也观察到了类似的现象。25 ],报道苯酚在两个碳上的吸附行为大致相似。吸附容量随着吸附剂用量的增加而增加,然后变得恒定,表明0.2和0.4 g / L足以分别从水溶液中最佳地去除苯酚。因此,0.2和0.4g / L的剂量用于以下苯酚吸附实验。
温度的影响
在20-45℃的范围内验证了苯酚在活性炭去除中作为温度值的函数的吸附。苯酚的初始浓度为250mg / L,吸附的接触时间保持在120min,以确保完全平衡。结果见图3。
随着温度从20℃变​​化到35℃,苯酚去除缓慢增加,随着温度从35℃进一步增加到40℃,苯酚去除率从38.47%增加到47.05%。本文报道了在20,35,40,45℃时的吸附容量分别为90.00,96.18,117.64和106.73 mg / g。Karabacakoglu等人也表现出类似的现象。26 ],检查用氯化锌活化的榛子蔗渣碳从水中除去苯酚。结果表明,在25,35和45℃时,吸附容量分别为97.36,91.32和99.27 mg / g。与Karabacakoglu等报道的结果相比。26在本文中,在相同温度下苯酚去除率较高。原因是含氮表面基团的引入使得活性炭更加碱性,预期苯酚的吸附增加。
随着温度进一步升高超过40℃,苯酚去除率急剧下降。结果表明,对于由WFB制备的活性炭,在40℃下获得了对苯酚的最大吸附。
pH值的影响
在4-9的pH范围内检查pH对制备的活性炭上苯酚的平衡吸附的影响。苯酚的初始浓度为250mg / L,吸附剂剂量为0.1g。未缓冲的苯酚水溶液的pH为7.0,然后用0.1M HCl和0.1MK 2 CO 3调节pH值
图4表明,在pH7.0和吸附容量为208mg / g时,在给定的吸收剂量和给定的苯酚浓度下观察到苯酚的最大去除。Mohanty等人评估了Sterculia alata坚果壳的潜力,这是一种森林废物,通过氯化锌活化制备活性炭以从水溶液中除去苯酚。23 ]结果表明,在pH3.5时发现苯酚的最大摄取,吸附容量为2.8mg / g。
考虑到吸附剂在不同pH下苯酚吸附的性质,可以解释这种趋势。由于苯酚本身可溶于酸性水溶液(pKa = 9189),而苯酚在酸性或中性水溶液中主要存在于分子状态,亲和力较大,活性炭表面吸附; 而在碱性水溶液中主要存在离子状态,大且不利于与水的亲和吸附。当pH> 7时,苯酚的解离形式更容易溶于溶液,只有结合力才能破坏吸附与水之间的强化学键,只有可能的吸附,解离和活性炭吸附形式增加排斥力表面之间也增加了较小的吸附力。在较高的pH范围内,苯酚形成易于电离的盐,在语音基团上留下负电荷。同时,吸附剂上OH-离子的存在阻止了苯酚的吸收[2728 ]。因此,最适pH为7.0。
吸附等温线
Langmuir和Freundlich模型是描述吸附等温线的最常见模型。
Langmuir吸附等温线由下式[ 28 ]给出。
e / q e = 1 /(q m ×b)+(1 / q m)×c e                      (2)
其中q m(mg / g)是对应于完全单层覆盖的吸附量,b(1 / mg)是与吸附能量或净焓相关的Langmuir常数。e / q e与c e的线性关系图如图5所示。
Freundlich吸附等温线由下式[ 29 ]给出。
                            (3)
其中K f和n是与吸附容量和吸附强度有关的Freundlich常数。通常,对于良好的吸附剂1 <n <10。苯酚吸附等温线遵循线性化的Freundich模型,如图6所示。
得到的Langmuir和Freundlich常数的值在表2中给出。表2苯酚在活性炭上的不同吸附等温线的参数。可以看出Langmuir模型比Freundlich模型更好地拟合了结果。由于1 / n的值小于1,因此表明有利的吸附。在Fierro等人的文章中也发现了类似的趋势。5 ],其中Langmuir适合吸附苯酚。
吸附动力学研究
在伪一阶方程和伪二阶方程下研究了吸附速率常数。
伪一阶方程由以下等式表示。
                            (4)
其中q(mg / g)是在时间t(min)吸收的苯酚量; e(mg / g)是平衡时吸收的苯酚量,k 1(1 / min)是一级吸附速率常数。ln(q e -q)∨t 的线性图显示在图7中。
基于平衡吸附的伪二阶方程[ 30 ]表示为:
                            (5)
其中k 2(g.mg.min -1)是二级吸附的速率常数。此外,线性图如图8所示。
从两个线性图获得的常数和R 2值总结在表3中。
相关系数R 2表明,伪二阶方程更适合于实验数据。数据显示,通过使用伪二阶方程观察到实验和计算的q e之间的良好一致性结果得出结论,由WFB制备的活性炭上苯酚的吸附遵循伪二级模型。可以预期,吸附过程的总速率受化学吸附控制[ 31 ]。
结论
研究结果表明,富含氮的活性炭是由WFB与K 2 CO 3化学活化而成与其他不含氮的活性炭相比,苯酚的吸附能力显着提高。与接触时间的一系列效果相比; pH,活性炭用量,活性炭对苯酚吸附容量的温度; 我们得出结论,苯酚去除率越高,平衡时间越短。因为引入含N的表面基团使得活性炭更加碱性,所以预期苯酚的吸附增加。在吸附等温线研究中,苯酚吸附速率遵循伪二级动力学,Langmuir模型在苯酚吸附方面优于Freundlich模型。

(责任编辑:活性炭网)
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