棉秆基活性炭表面改性吸附重金属的性能及机理研究

The abundant cotton stalk as agricultural byproduct contains plentiful fixed carbon.It is significant to exploit the application of cotton stalk. The surface chemical porperties of activated carbons are closely related to the functional groups on their surface,which further determine the chemical absorbing characteristic of the activated carbon.Sruface modification can lead to substantial improvement in the activated carbon ability to absorb specific absorbated.The activated carbons with different surface physical and chemical properties were obtained by modification. A key objective was to study the relationship between the adsorption capacities of target pollutants and surface chemical characteristics of activated carbons.Heavy metal ion is a severe pollutant.In order to imProve the heavy metal ion adsorption capability of activated carbon, the activated carbon is modified by applying relevant modifier.By comparing the pre-modified and post-modified physical characteristics of activated carbon surface,through specific surface area test，SEM(Scaning Electron Microscope) inspection,FT-IR,Boehm functional group titration an etc.Research on theory and dynamic rules .

本项目利用大量存在于农副产品废弃物棉秆中含有的丰富的固定碳，开发利用棉秆资源。活性炭表面官能团的种类与数量决定了活性炭的表面化学性质，而化学性质决定了活性炭的化学吸附特性。通过表面改性，可以大大改善活性炭对特定吸附物质的吸附能力,获得具有不同表面物化性质的活性炭。本项目围绕目标物吸附能力与活性炭表面性质关系这一关键问题，详细地研究了重金属在活性炭表面的吸附行为和机理。重金属离子是一种危害极大的污染物，为了提高活性炭对重金属离子的吸附性能，采用改性剂对活性炭进行改性，提高其对重金属离子的吸附效果。通过改性前后活性炭的比表面积的测定、扫描电镜观测、傅立叶变化红外谱图测定及Boehm官能团滴定等方法，对改性前后活性炭进行了表征分析。从而分析改性活性炭吸附重金属离子的机理及动力学规律。

以棉秆为原料，氢氧化钠、氯化锌和硝酸为活化剂制备棉秆基活性炭，结果表明不同活化剂对棉秆活化得到的活性炭与直接热解制得的活性炭在表面孔隙结构和表面管能团的种类与含量上有很大的差异，在以氢氧化钠为活化剂时制得的活性炭表面孔隙结构有一定的破坏，但活性炭的表面官能团的种类和含量增加，尤其是羟基管能的含量增加明显；在以硝酸为活化剂时制得的棉秆基活性炭与直接热解得到的棉秆基活性炭相比的表面孔隙结构增加显著，活性炭表面管能团的种类和含量增加显著；随着炭化活化温度的升高棉秆基活性炭的得率逐渐降低，当以低温250℃热解时有较高的得炭率，得炭率达40.57%，但此时制得的棉秆基活性炭的吸附性较差。综合考虑棉秆基活性炭对不同吸附质的吸附效果和得炭率得出,在以氢氧化钠为活化剂，在炭化温度为350℃、炭化时间为120min时有较高的得炭率，得炭率为37.62%。当活化剂为硝酸时，在炭化温度450℃，炭化180min时有较高的碘吸附性，高达1500mg/g，表面积为194.43m2/g，外比表面积100.74 m2/g，微孔比表面积26.38 m2/g，平均孔径为4.97nm。.活化剂活化后的棉秆基活性炭对吸附质的吸附能力均比直接热解条件下的活性炭的吸附能力好，说明活化剂活化能有效提高棉秆基活性炭的吸附能力。通过傅里叶光谱和X射线衍射图谱分析可知氢氧化钠活化剂能有效增加棉秆基活性炭的表面含氧管能团的含量与种类，其中羟基的含量增加明显。在制备条件为热解温度400 ℃、热解时间150min、剂料比1制得的活性炭在吸附条件为pH值为4,吸附温度为25℃时对重金属的吸附最佳，其中铜的最大吸附量为8.439mg/g，锌的最大吸附量为10.13mg/g。当吸附剂投加量0.2g、初始浓度10mg/L、实验温度25℃时，棉秆基活性炭对Cr（Ⅳ）在200min后达到吸附平衡，最大吸附率可达85%。吸附动力学实验和吸附平衡实验研究表明，棉秆基活性炭对重金属铜和锌的吸附符合Lagergren准二级吸附动力学模型以及Freundlich等温吸附模型，说明棉秆基活性炭对水中重金属的吸附过程是一个动态吸附多个作用过程综合作用的化学吸附过程。