![点击分享此内容可以赚币 分享](/master/images/share_but.png)
中药渣制备超高比表面积活性炭及其甲苯吸附性能研究.pdf
《中药渣制备超高比表面积活性炭及其甲苯吸附性能研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《中药渣制备超高比表面积活性炭及其甲苯吸附性能研究.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 11 卷 第 4 期 新 能 源 进 展 Vol.11 No.4 2023 年 8 月 ADVANCES IN NEW AND RENEWABLE ENERGY Aug.2023 *收稿日期:2023-03-10 修订日期:2023-04-11 基金项目:广州市科技计划项目(202201010687);广东省基础与应用基础研究基金资助项目(2022A1515011653);中国科学院青年创新促进会项目 通信作者:袁浩然,E-mail: 引用本文:谈强,廖达秀,阳济章,等.中药渣制备超高比表面积活性炭及其甲苯吸附性能研究J.新能源进展,2023,11(4):365-373.Citation:
2、TAN Qiang,LIAO Daxiu,YANG Jizhang,et al.Ultra-high-specific-area activated carbon from herb residue as excellent absorbent for toluene adsorptionJ.Advances in new and renewable energy,2023,11(4):365-373.文章编号:2095-560X(2023)04-0365-09 中药渣制备超高比表面积活性炭及其甲苯吸附性能研究*谈 强1,廖达秀1,阳济章2,3,4,李德念2,3,4,袁浩然2,3,4,(1.广
3、州环投永兴集团股份有限公司,广州 510015;2.中国科学院广州能源研究所,广州 510640;3.中国科学院可再生能源重点实验室,广州 510640;4.广东省新能源与可再生能源研究开发与应用重点实验室,广州 510640)摘 要:以中药渣为碳源,采用 KOH 辅助活化制备了具有超高比表面积的中药渣活性炭吸附剂。探索了碱炭质量比(mKOH/mC)、活化温度对吸附剂孔隙结构及其对甲苯吸附行为的影响。在 mKOH/mC 为 5、温度为 800 的热解条件下,活性炭的比表面积和总孔容分别达到了 3 549 m2/g 和 2.12 cm3/g,微孔比表面积和微孔孔容分别为 2 529 m2/g和
4、1.33 cm3/g,微孔占比达到了 62.7%。在 25、相对压力 P/P0为 0.9 1 时的甲苯吸附量更是高达 2 612 mg/g。该中药渣活性炭吸附剂在挥发性有机物去除方面具有广阔的应用前景。关键词:中药渣;KOH;活性炭;甲苯吸附;挥发性有机物 中图分类号:TK6 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.2095-560X.2023.04.009 Ultra-High-Specific-Area Activated Carbon from Herb Residue as Excellent Absorbent for Toluene Adsorption TAN Qi
5、ang1,LIAO Daxiu1,YANG Jizhang2,3,4,LI Denian2,3,4,YUAN Haoran2,3,4,(1.Grandtop Yongxing Group Co.,Ltd.,Guangzhou 510015,China;2.Guangzhou Institute of Energy Conversion,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,China;3.CAS Key Laboratory of Renewable Energy,Guangzhou 510640,China;4.Guangdong Prov
6、incial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development,Guangzhou 510640,China)Abstract:Potassium hydroxide(KOH)was used as a coactivator to produce activated carbon with an ultra-high specific area,and herb residue was used as a carbon source.The effects of alkali carbon mass rat
7、io(mKOH/mC)and activation temperature on the pore structure of activated carbon were explored,while the adsorption behavior of toluene was also investigated.The total specific surface area and total pore volume of activated carbon increased up to 3 549 m2/g and 2.12 cm3/g when the mKOH/mC and the te
8、mperature were 5 and 800 C,respectively.The proportion of micropores reached 62.7%,while the specific surface area and pore volume of the micropores were 2 529 m2/g and 1.33 cm3/g,respectively.Moreover,the toluene adsorption capacity was reached at 2 612 mg/g when the temperature and relative pressu
9、re P/P0 were 25 C and around 0.9 to 1,respectively.It should be noted that activated carbon produced from herb residue can be used to effectively remove volatile organic compounds in the future.Keywords:herb residue;KOH;activated carbon;toluene adsorption;volatile organic compounds 0 引 言 在中国,中药被广泛用于
10、预防和治疗疾病,大多数中药是草本植物。中药在生产与使用的过程中,会产生大量的中药残渣1,其年产量高达6 000 万 t 7 000 万 t,但这些中药残渣并没有得到有效利用。如果将这些中药残渣直接扔掉或进行焚烧处理,将会带来一定的环境问题2-4。366 新 能 源 进 展 第 11 卷 因此,如何实现中药渣的资源化利用,被认为是一个亟待解决的重大问题5。在众多的处理技术中,热解技术为中药渣的工业化应用提供了一条高效可靠的途径6。生物炭是热解过程中产生的固相产物,在土壤改良、碳质吸附剂、功能复合材料的制备等方面具有广阔的应用前景7-9。例如,连翘、耳丁、金银花等中草药残渣被直接用作碳源,通过控制
11、氧的浓度和温度,制备出一种用于去除水中四环素的碳质吸附剂10。通过尿素和 KOH 辅助炭化刺五加残渣,可得到富微孔、氮掺杂的多孔炭材料,并用于锂硫电池载体11。多孔炭在对挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)的吸附和环境修复具有重要意义12-16。甲苯是一种典型的 VOCs12,17,严重威胁人体健康18。目前,已发展出多种甲苯去除技术,如吸收、吸附、膜分离、等离子体降解等19-22。其中,吸附法操作简单、效率高、能耗低,性价比最高。用于去除甲苯的吸附剂种类很多,包括活性炭22、碳纳米管23、沸石24、金属有机骨架(metal-organic frame
12、work,MOF)25等。比表面积和孔容是影响吸附剂吸附能力的关键因素。活性炭具有超过 1 000 m2/g 的比表面积和发达的孔隙结构,因此活性炭成为最受欢迎的 VOCs 吸附剂12-13。本文以 KOH 辅助活化热解中药渣,制备出具有较大比表面积和丰富表面官能团的分层多孔活性炭。通过设置正交试验,详细研究活化温度和活化剂用量对活性炭孔隙结构和表面官能团的影响,以及对甲苯的吸附性能的影响,旨在为中药渣的高值化利用提供一种新的路径。1 实 验 1.1 试剂与材料 中药渣来自广东揭阳某制药厂,KOH(分析纯)购自上海麦克林生化有限公司,去离子水为实验室自行制备。1.2 中药渣活性炭的制备 中药渣
13、活性炭的制备过程可分为三步。将新鲜中药渣放入温度为 105 的烘箱中进行烘干处理,烘干后用粉碎机将中药渣粉碎成粉末,取 60 g粉末放置于石英舟并转入管式炉中进行预炭化,以5/min 的升温速率升至 450,并保持恒温 0.5 h,得到预炭化的中药渣炭,记为 PHRC-450;取 10 g PHRC-450,并与一定质量的 KOH 混合均匀,转入管式炉中进行活化,以 5/min 的升温速率升至700 900,并保持恒温 1 h;降至室温后,先用稀盐酸浸泡 24 h,再用去离子水清洗至中性,最后于 105 下烘干,得到活化后的中药渣炭,记为HRC-nK-T(其中 n 为 KOH 与 PHRC-4
14、50 的质量比,n=2,3,4,5,6;T 代表不同的活化温度)。1.3 结构、形貌及吸附性能表征 扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)(日本,Hitachi,S-4800)和透射电子显微镜(transmission electron microscopy,TEM)(日本,JEOL JEM-2100F)用于表征材料的形貌结构。X 射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)(美国,Thermo Fisher Scientific,ESCALAB250 xi)用于分析材料表面元素。X 射线衍射(X-ray
15、 diffraction,XRD)图谱通过 X 射线衍射仪(荷兰,PANalytical,XPert Pro MPD)获得。傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer,FT-IR)(美国,Thermo Fisher Scientific,Nicolet iS50/Nicolet iN10)用于分析材料表面官能团。用气体吸附仪(美国,Quantachrome,Quadrasorb)分析氮气吸脱附曲线,获取甲苯吸附曲线,并用吸附仪自带软件进行数据分析。2 结果与讨论 2.1 微观形貌 通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜对材料的微观形貌结构进
16、行研究。图 1 是 HRC-5K-800 的SEM 和 TEM 图,图中可见 HRC-5K-800 含有大量的孔洞。图 1 HRC-5K-800 的 SEM(a、b)图和 TEM(c、d)图 Fig.1 SEM(a,b)and TEM(c,d)images of HRC-5K-800 第 4 期 谈 强等:中药渣制备超高比表面积活性炭及其甲苯吸附性能研究 367 此外,HRC-nK-T 的微观形貌也因 n 的不同,发生了明显的变化,由原来致密的块状固体,逐渐转变为具有多孔结构的固体,如图 2 和图 3 所示。结果表明,随着 n 的增大与 T 的升高,中药渣炭与 KOH 之间的反应也随之加剧26
17、,但整体结构并没有发生变化。图 2 中药渣活性炭的 SEM 图:(a)PHRC;(b)HRC-2K-800;(c)HRC-3K-800;(d)HRC-4K-800;(e)HRC-5K-800;(f)HRC-6K-800;(g)HRC-5K-700;(h)HRC-5K-900 Fig.2 SEM images of activated carbon derived from herb residue:(a)PHRC;(b)HRC-2K-800;(c)HRC-3K-800;(d)HRC-4K-800;(e)HRC-5K-800;(f)HRC-6K-800;(g)HRC-5K-700;(h)HRC-
18、5K-900 图 3 中药渣活性炭的 TEM 图:(a)PHRC;(b)HRC-2K-800;(c)HRC-3K-800;(d)HRC-4K-800;(e)HRC-5K-800;(f)HRC-6K-800;(g)HRC-5K-700;(h)HRC-5K-900 Fig.3 TEM images of activated carbon derived from herb residue:(a)PHRC;(b)HRC-2K-800;(c)HRC-3K-800;(d)HRC-4K-800;(e)HRC-5K-800;(f)HRC-6K-800;(g)HRC-5K-700;(h)HRC-5K-900
19、2.2 结构特性 通过氮气等温吸脱附实验,进一步研究 HRC-nK-T 的孔隙分布情况。如图 4(a)所示,PHRC-450的吸脱附曲线几乎是一条直线,表明在整个压力范围内,PHRC-450 的氮气吸附量可以忽略不计,说明PHRC-450 的孔隙结构不发达此外,随着 n 和 T 的不同,HRC-nK-T 的孔隙度发生了明显的变化,如图4(b)和 4(d)所示。HRC-nK-T 的吸脱附曲线为典型的 I 型等温曲线,在相对压力 P/P0小于 0.05 时,氮气吸附量急剧增加,且很快达到饱和。而在较高的相对压力下,吸附能力几乎没有明显的增加,说明 HRC-nK-T 的结构以微孔为主。有趣的是,对于
20、HRC-6K-800 而言,在相对压力大于 0.9 时,吸附能力开始增强,说明 HRC-6K-800 的孔隙变大,这可能是由于过量的氢氧化钾和较高的活化温度,使活化过程过于剧烈,进而引起微孔坍塌成大孔,导致孔容降低13,25,27,这与 HRC 的孔结构特性参数和孔径分布结果是一致的,详见表 1 和图 4(b)。368 新 能 源 进 展 第 11 卷 0.00.20.40.60.81.0-2000200400600800100012001400N2吸吸吸/(cm3/g)P/P0 PHRC-450 HRC-2K-800 HRC-3K-800 HRC-4K-800 HRC-5K-800 HRC-
21、6K-800(a)036912151801234 PHRC-450 HRC-2K-800 HRC-3K-800 HRC-4K-800 HRC-5K-800 HRC-6K-800(b)(dV/dD)/(cm3g1nm1)孔孔/nm 0.00.20.40.60.81.002004006008001000120014001600 HRC-3K-500 HRC-3K-600 HRC-3K-700 HRC-3K-900 HRC-5K-700 HRC-5K-900P/P0N2吸吸吸/(cm3/g)(c)03691215180.00.51.01.52.0(dV/dD)/(cm3g1nm1)孔孔/nm HRC
22、-3K-500 HRC-3K-600 HRC-3K-700 HRC-3K-900 HRC-5K-700 HRC-5K-900(d)图 4 PHRC-450 和 HRC-nK-T 的氮气等温吸脱附曲线(a、c)与孔径分布(b、d)Fig.4 N2 isothermal adsorption and desorption profiles(a,c)and corresponding pore size distribution(b,d)of PHRC-450 and HRC-nK-T 表 1 HRC 的孔结构特性参数 Table 1 Textural properties of HRC 吸附材料
23、比表面积/(m2/g)微孔比表面积/(m2/g)总孔容/(cm3/g)微孔孔容/(cm3/g)(微孔孔容/总孔容)/%PHRC-450 13 0 0.03 0.00 0.0 HRC-3K-500 1 419 1 216 0.64 0.49 76.6 HRC-3K-600 1 575 1 422 0.67 0.55 82.1 HRC-3K-700 3 018 2 081 1.47 0.90 61.2 HRC-3K-800 3 287 1 670 1.65 0.69 41.8 HRC-3K-900 3 183 1 003 1.73 0.38 22.0 HRC-2K-800 2 480 2 398
24、1.07 0.99 92.5 HRC-4K-800 3 414 3 160 1.84 1.58 85.9 HRC-5K-800 3 549 2 529 2.12 1.33 62.7 HRC-5K-700 2 839 2 267 1.60 1.13 70.6 HRC-5K-900 3 223 1 616 2.26 0.98 43.0 HRC-6K-800 3 772 3 179 2.04 1.11 54.0 用 X 射线衍射仪分析活化温度和活化剂量对HRC 结晶度的影响,图 5 展示了 HRC-nK-T 的XRD 图谱。由图可见,在 26 和 44 附近有两个宽峰,对应的是石墨微晶(002)和(
25、100)晶面的特征峰。其中,(002)表示石墨微晶层片的空间排列规则程度,(100)表示石墨微晶的晶面直径大小28。结果表明,热解温度低,石墨化程度不明显,得到的活性炭是无定形结构29。然而,(100)的峰强度在不断下降,说明金属钾嵌入碳晶格中,不断发生反应,从而导致晶面直径减小26。对于 HRC-nK-800 而言,保持温度不变,增大活化剂量,活化程度加剧,(002)面的空间排列趋于无序,因此峰强度下降。对于 HRC-5K-T 而言,保持活化剂量不变,升高温度会促使孔结构坍塌,空间排列规则程度降低,因此峰强度降低28,30。第 4 期 谈 强等:中药渣制备超高比表面积活性炭及其甲苯吸附性能研
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 药渣 制备 超高 表面积 活性炭 及其 甲苯 吸附 性能 研究
![提示](https://www.zixin.com.cn/images/bang_tan.gif)
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。