芦苇基活性炭的制备及其对重金属吸附的研究

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我国芦苇面积达130万hm2以上,仅在雄安新区白洋淀内,年产量就达10万吨。因芦苇市场需求量减少和应用芦苇的经济价值低导致绝大部分枯黄的芦苇无人收割烂在湿地里,这不仅对芦苇资源是一种浪费,也因生物填平作用而加速淀区向沼泽化湖泊的转变。因此,为提升芦苇经济价值,本文开展以芦苇为原料的活性炭制备及其吸附性能研究,结果如下:1、将白洋淀区白苇作为原料,采用两步炭化法,通过单因素实验和正交实验相结合,碘吸附值、亚甲基蓝吸附值及产率大小为评定标准的方式,筛选出在KOH、K2CO3、CO2的作用下制备芦苇活性炭的最优条件组合:(1)KOH法制备活性炭(RAC-KOH)的最优条件为剂料比4:1、浸渍36 h、850℃下活化1.5 h;RAC-KOH的碘吸附值为1227mg/g,亚甲基蓝吸附值244 mg/g,产率为31.4%;(2)K2CO3法制备活性炭(RAC-K2CO3)的最优条件为剂料比2.5:1,浸渍12 h,在900℃下活化1.5 h;RAC-K2CO3的碘和亚甲基蓝吸附值分别为1089 mg/g、62 mg/g,产率为42%;(3)CO2法制备活性炭(RAC-CO2)的最优条件为CO2通气量200 mL/min、升温速率20℃/min、900℃下活化0.5 h;碘吸附值和亚甲基蓝吸附值分别为1129 mg/g、76 mg/g,产率为57.3%。2、对最优条件下的RAC-KOH、RAC-K2CO3、RAC-CO2用全自动比表面积和孔隙度分析仪、X-射线粉末衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)等进行表征,结果表明:RAC-KOH的孔径主要集中在0.4-0.5 nm、0.6-1.3 nm和2.2-2.7nm,比表面积为1674 m2/g,微孔占比达84%,微孔容积为0.610 cm3/g;RAC-K2CO3的孔径大小主要分布在0.6-1.2 nm和2.2 nm左右,比表面积为1151 m2/g,微孔占其中的86%,微孔体积为0.418 cm3/g;RAC-CO2的孔径大小主要为0.5 nm左右、0.8-1.1 nm和2.0-2.2 nm,比表面积为1349 m2/g,微孔含量为82%,微孔容积达到了0.497 cm3/g。对芦苇活性炭的XRD谱图、SEM图及红外谱图分析证明其具有多孔、性能稳定的结构,羟基、醚基、羧基、醛基、羰基、氨基等基团分布在芦苇活性炭表面。3、选取RAC-KOH对单一重金属Pb2+、Cd2+溶液进行吸附,分析投加量、pH、时间、温度对吸附过程的影响,采用多个吸附等温线模型和动力学模型对吸附数据拟合分析,探究RAC-KOH吸附重金属的过程及机理,并研究其重复利用的效果。结果表明:RAC-KOH吸附重金属Pb2+、Cd2+的过程为吸热反应。RAC-KOH对重金属Pb2+的吸附条件为投加量5 g/L,pH为5.5,恒温振荡2 h;对重金属Cd2+的吸附条件为投加量6 g/L,pH为6,恒温振荡2 h。RAC-KOH对重金属Pb2+浓度100 mg/L、Cd2+浓度10 mg/L的溶液的去除率达到95%以上,对重金属Pb2+浓度200 mg/L、Cd2+浓度50 mg/L的溶液的去除率达到85%以上。采用Langmuir模型、Freundlich模型、D-R模型和准一、二级动力学模型、Elovich模型、颗粒内扩散模型对吸附数据拟合,证明RAC-KOH表面不均匀,其对Pb2+、Cd2+的吸附符合准二级动力学,吸附速率不仅受颗粒内扩散的影响还受膜扩散过程的影响;RAC-KOH吸附Pb2+的过程是单分子层吸附,以化学吸附为主;吸附Cd2+的过程是多分子层吸附,以离子交换吸附为主。将吸附后的RAC-KOH用硝酸溶液酸洗处理后再利用,仍具有良好的吸附效果。
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