棉秆基炭质材料表面结构形成规律及污染物吸附调控机制的研究

棉秆作为新疆产量巨大的农业废弃物，一直未得到有效利用，且目前的处置过程中还会产生大气污染等新的环境问题。微波作为高效、快速、节能、操控性好的加热技术逐渐应用于炭材料领域。本项目在前期利用微波法制备棉秆基活性炭的基础上，研究棉秆基炭质材料制备及吸附过程中的科学问题。通过对棉秆基炭质材料的制备过程进行研究，明确各因素对炭表面结构形成的影响程度，阐明传统法与微波法制备炭材料表面结构形成规律的差异性，揭示微波加热对炭表面结构形成以及制备过程能耗、物耗的影响。在此基础上，将结构特性相异的炭材料应用于污染物吸附，揭示炭表面结构与吸附容量间的定量关系，进而提出棉秆基炭质材料对污染物吸附的调控机制，阐明微波法对炭质材料吸附调控的影响，在保持或提高吸附性能的前提下，建立节能、降耗的炭质吸附剂制备方法。本项目的实施，可为解决区域实际问题、开发专用棉秆基炭质吸附剂、进一步发展和完善微波法炭制备工艺奠定理论基础。

针对新疆棉秆资源量大，资源化利用率低、存在环境风险的问题，以棉秆为原料，研究常规炭化过程中生物炭表面结构形成规律与吸附容量间的关系，探讨了常规和微波加热下活性炭的制备条件及其表面结构形成规律，探索了棉秆炭表面结构对亚甲基蓝和碘吸附的影响，揭示炭孔结构与化学结构对吸附量的影响程度。考察了不同加热方式制备的棉秆活性炭对污染物的吸附作用及影响因素，结合炭质材料的表面结构特性，分析炭材料的结构与污染物吸附之间的关系，探讨棉秆基炭质材料对极性和非极性有机污染物的吸附机理。主要结论如下：1）在无活化剂的条件下，炭化温度是影响棉秆炭产率的主要因素，热解时间对产率的影响较小。随着炭化温度升高，棉秆炭的含碳量急剧升高，含氧官能团迅速减少，芳香结构基团增加，碱性官能团显著增加，稳定性增强。300-600 ℃热解获得以中孔为主的炭；700 ℃时，则形成以微孔为主的炭，炭对亚甲基蓝和碘的吸附量大小主要取决于其总表面积和微孔孔容。2）电炉加热-磷酸活化条件下，磷酸浓度对棉秆炭产率影响最大，而炭化温度对孔结构、元素组成和表面官能团影响最大，炭表面以酸性官能团为主。磷酸浓度为40 %，剂料比为2，500 ℃热解1.5 h可得到总比表面、微孔比表面积和孔容最大的棉秆活性炭。棉秆活性炭的总比表面积、总孔容和微孔孔容对亚甲基蓝、碘的吸附有极显著影响。3）微波加热-磷酸活化条件下，微波功率对棉秆活性炭产率、孔结构、元素组成和表面官能团影响最大，炭表面以酸性官能团为主。磷酸浓度为50 %，剂料比为2.5，560 W下炭化8 min即可获得总比表面积、微孔比表面积和孔容相对较大的微波棉秆炭样品。微波炭的总比表面积、总孔容和中大孔比表面积与碘吸附量呈极显著正相关，而其亚甲基蓝吸附量则与总比表面积和微孔孔容呈显著正相关。4）微波是更好的KOH法制备棉秆活性炭的加热方式，利用该法可制备更优的棉杆活性炭。KOH:棉杆比为0.6，680 W 辐照10 min即可得到碘吸附值1128.07 mg/g、亚甲基蓝吸附值 198 mg/g的棉秆活性炭。5）棉秆炭对四硝基甲苯与甲基橙均有着优异的吸附性能，它们均符合拟二级动力学方程和Langmuir模型。它对四硝基甲苯主要由单分子层物理吸附控制。相比微波炭，电炉炭对甲基橙的去除更优，pH会影响炭对甲基橙的吸附机机理、理论吸附量、吸附速率，但对常规炭与微波炭的吸附影响程度不同。