【摘要】： 針對農(nóng)林廢棄物-煙桿的資源現(xiàn)狀、常規(guī)活性炭制備工藝存在的系列問題,結(jié)合微波加熱的特點,本論文提出了微波加熱煙桿制備活性炭的新工藝,并進行了活性炭吸附處理重金屬廢水的研究。通過最佳工藝條件的探索,與常規(guī)加熱一步炭化法的對比,結(jié)構(gòu)的解析,熱解過程以及微波場中升溫過程的研究,揭示了微波加熱條件下制備活性炭的過程反應機理;將微波加熱法制備的活性炭產(chǎn)品應用于重金屬廢水的處理,研究了活性炭吸附過程的熱力學、動力學,分析了吸附過程機理。 本論文確定了常規(guī)加熱煙桿一步炭化法、微波加熱法制備活性炭的工藝流程,系統(tǒng)研究了常規(guī)加熱和微波加熱條件下系列活化劑活化制備活性炭的工藝流程。以氯化鋅、磷酸、氫氧化鉀為活化劑,常規(guī)加熱和微波加熱為熱源,采用正交實驗,研究了浸漬時間、活化劑濃度、活化時間、活化溫度(或微波功率)對活性炭產(chǎn)品性能(碘吸附值、亞甲基藍吸附值、得率)的影響規(guī)律,得到了最佳工藝條件;以水蒸氣、二氧化碳為活化劑,研究了活化劑流量、活化時間、活化溫度(微波功率)對活性炭產(chǎn)品性能的影響規(guī)律,得到了最佳工藝條件;以煙桿炭化料為原料,氫氧化鉀、碳酸鉀為活化劑,研究了劑料比、微波加熱時間對活性炭產(chǎn)品吸附性能的影響,制備出了高吸附性能的活性炭。研究結(jié)果表明,以煙桿為原料制備的活性炭達到了相關的國家標準,微波加熱法與常規(guī)加熱方法相比,流程短、高效、加熱時間縮短了61.60-80%。 采用氮吸附法研究了最佳工藝條件下所制備活性炭的孔結(jié)構(gòu)。分析了活性炭樣品的吸附等溫線,并對其進行了歸類,發(fā)現(xiàn)使用同樣的活化劑,微波加熱法所制備活性炭,其吸附等溫線的“脫尾”現(xiàn)象沒有常規(guī)加熱一步炭化法的明顯,吸附平臺的斜率微波加熱法的要小;同時采用Dubinin-Astakhov方程對兩種方法制備活性炭的Astakhov指數(shù)進行了分析,發(fā)現(xiàn)二氧化碳做活化劑時,孔徑分布最窄;對于氯化鋅、氫氧化鉀和水蒸氣作活化劑制備活性炭時,微波加熱法制備活性炭的孔分布較窄;采用Horvath-Kawazoe方程對兩種方法制備活性炭的微孔進行了表征,發(fā)現(xiàn)采用同樣活化劑,微波加熱法所制備活性炭的極微孔所占比例較大;采用Density Functional Theory對兩種方法制備活性炭的全孔分布(0.35-300nm)進行了表征,發(fā)現(xiàn)采用微波加熱法制備活性炭的微孔比例較大。綜上,孔結(jié)構(gòu)的研究表明,采用同樣的活化劑,微波加熱法所制備活性炭的微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達,中孔、大孔含量較小。 采用X衍射、SEM、TEM研究了活性炭的微觀結(jié)構(gòu)。由X衍射圖譜分析可得,活性炭樣品是一種非晶態(tài)炭材料,同石墨相比其d_(002)減小,L_c也減小;微晶尺寸最小是二氧化碳活化制備的活性炭,微晶尺寸最大的是磷酸活化常規(guī)加熱法制備的活性炭,這與氮吸附表征的孔結(jié)構(gòu)結(jié)論是一致的。通過SEM照片可以看出,采用化學活化劑,煙桿的基本結(jié)構(gòu)遭到了破壞,微觀結(jié)構(gòu)較為復雜,而采用物理活化劑,煙桿的纖維結(jié)構(gòu)被保留了下來;通過TEM照片觀察到了納米級的孔徑,驗證了氮吸附等溫線和X衍射分析的結(jié)果,證明了制備活性炭中含有微孔、中孔和大孔。 采用熱分析儀測定了煙桿和浸漬化學活化劑煙桿的熱解曲線,分析了熱解過程,計算了熱解的動力學參數(shù),結(jié)果表明浸漬活化劑后的煙桿活化能顯著降低,炭得率明顯升高;測定了氯化鋅、磷酸、浸漬氯化鋅等活化劑的煙桿在微波場中的升溫曲線,并分析了升溫的過程,得到了升溫速率方程;最后結(jié)合最佳工藝參數(shù)和活性炭結(jié)構(gòu)的研究,揭示了微波加熱法制備活性炭的內(nèi)在規(guī)律和反應機理。發(fā)現(xiàn)微波加熱化學法中存在“物理活化”過程,與常規(guī)加熱顯著不同。 以微波加熱煙桿氯化鋅活化制備的活性炭為原料,進行了含鉛、含銅重金屬廢水的吸附處理系統(tǒng)實驗研究。研究了振蕩時間、活性炭投加量、pH、溫度和溶液初始濃度對重金屬脫除率的影響,得到了最佳工藝條件;應用Van't Hoff方程對吸附的熱力學參數(shù)進行了計算,采用Langmuir和Freundlich吸附等溫式對不同溫度下獲得的吸附平衡數(shù)據(jù)進行了分析,活性炭吸附鉛、銅的Langmuir極限吸附量分別為10.6577、8.0887mg/g;采用準二級固液相吸附動力學模型分析了實驗結(jié)果,并得到了該模型的初始吸附速率和速率常數(shù),發(fā)現(xiàn)準二級動力學模型能更好地描述吸附過程;分析了吸附機理,研究了吸附的控制步驟,結(jié)果表明,發(fā)現(xiàn)活性炭吸附重金屬(鉛、銅)離子在所測定的濃度范圍內(nèi),均為膜擴散控制,這與國外的相關報道有較大區(qū)別,表明采用微波氯化鋅法制備的活性炭擁有合理的孔徑結(jié)構(gòu),非常適合重金屬廢水的吸附處理。 總之,本論文提出了微波加熱煙桿制備活性炭新工藝,新工藝對煙桿進行資源化利用,可減少環(huán)境污染、提高附加值、拓寬活性炭生產(chǎn)的原料來源,為農(nóng)林廢棄物的資源化開辟了新的途徑;新工藝充分利用微波加熱的優(yōu)點,可有效解決常規(guī)活性炭生產(chǎn)工藝中存在的缺點,開發(fā)出成本低、質(zhì)量穩(wěn)定、達到國家一級品或優(yōu)級品標準的活性炭產(chǎn)品,進一步提升我國活性炭產(chǎn)品的檔次;將所得產(chǎn)品用于處理重金屬廢水,對實現(xiàn)有色會屬工業(yè)的治污利廢、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟具有重要的意義。
【圖文】：

在確定工藝路線之后，建立了全套的常規(guī)加熱裝置，它能實現(xiàn)自動控溫，最高溫度可達到1200℃，，還可有效地控制升溫速率(0一200℃/min);同時整個實驗能在可控制流量的保護氣氛中進行，如圖2.5所示。幽幽幽幽幽幽幽幽幽幽幽幽 0000!!!!! 222220℃“1】加℃ ℃℃廠廠廠 流盈控圖2.5常規(guī)加熱法制備活性炭的實驗裝置 F19.2.5Sehematiediagra一 nofexPerimentalequipmentforPreParationofaetivatedearbonby conventionalheating還研制了兩套微波加熱裝置，一套為微波加熱化學法制備活性炭的實驗裝置，見圖2.6;一套為微波加熱物理法制備活性炭的實驗裝置，如圖2.7所示。這兩套裝置均可實現(xiàn)微波的連續(xù)輸入，功率O一85OW連續(xù)可調(diào)，頻率為2450MH乙。

conventionalheating還研制了兩套微波加熱裝置，一套為微波加熱化學法制備活性炭的實驗裝置，見圖2.6;一套為微波加熱物理法制備活性炭的實驗裝置，如圖2.7所示。這兩套裝置均可實現(xiàn)微波的連續(xù)輸入，功率O一85OW連續(xù)可調(diào)，頻率為2450MH乙。
【學位授予單位】：昆明理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2007
【分類號】：X703

【引證文獻】

相關期刊論文 前5條

1 王玉;聶長春;胡大鳴;張慶明;丁根勝;王芳;連賓;;廢棄煙草資源化利用研究進展[J];地球與環(huán)境;2013年04期

2 阿依努爾·達吾提;迪麗努爾·塔力甫;阿布力克木·阿布力孜;司馬義·努爾拉;;羊骨基活性炭對溶液中Pb(Ⅱ)的吸附性能[J];化工進展;2010年12期

3 譚非;王彬元;林金春;黃彪;;微波加熱化學活化法制備活性炭的優(yōu)化工藝研究[J];生物質(zhì)化學工程;2010年01期

4 李軍;李吉昌;吳曉華;資文華;楊玉芳;劉雅珊;;煙草廢棄物利用研究[J];云南化工;2010年02期

5 譚非;李建雄;林秀蘭;黃彪;;微波化學活化法制備活性炭的研究[J];西南林學院學報;2010年04期

相關博士學位論文 前5條

1 鄭劉春;玉米秸稈及其纖維素的改性和吸附水體鎘離子的機理研究[D];華南理工大學;2011年

2 劉青松;微波法制備竹基活性炭及強化濕式氧化處理含酚廢水研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2010年

3 謝志剛;柑橘皮生物活性炭研制及滲濾液后續(xù)處理技術研究[D];重慶大學;2009年

4 劉偉;喜旱蓮子草的生物防治技術、機理及資源化利用研究[D];華東師范大學;2012年

5 朱敏聰;膨脹石墨基復合材料的制備、改性及其對水中特定污染物去除的研究[D];東華大學;2012年

相關碩士學位論文 前10條

1 羅來盛;加拿大一枝黃花活性炭制備及其Cd（Ⅱ）吸附性能的研究[D];東華大學;2011年

2 李敏;炭微球的水熱制備、表征及活化[D];東北林業(yè)大學;2011年

3 趙延杰;不同類型羥基磷灰石的制備及其對氟離子吸附行為的研究[D];濟南大學;2011年

4 阿依努爾·達吾提;羊骨基活性炭的制備及吸附性能研究[D];新疆大學;2011年

5 買買提明·買合木提;利用交聯(lián)聚合物從玫瑰花等植物中分離純化多酚類有效組分[D];新疆大學;2011年

6 王麗;紅蓼活性炭的制備及其吸附特性的研究[D];山東大學;2011年

7 徐繪;磷酸活化軟木制備活性炭的研究[D];西北農(nóng)林科技大學;2011年

8 廖欽洪;稻殼多孔炭吸附材料的制備及其在廢水處理中的應用[D];廣西師范大學;2010年

9 陳曉芳;城市生活污水生物治理的填料篩選研究[D];福建農(nóng)林大學;2010年

10 王敏;頭發(fā)基活性炭的制備、表征與吸附性能研究[D];武漢紡織大學;2012年

本文編號：2620147