论文部分内容阅读
我国是农业种植大国,其中蓖麻种植面积约300万亩。蓖麻的种植会产生大量的茎、秆等农业剩余物,若对蓖麻秆焚烧处理,既是资源的浪费,也会导致环境污染。由于蓖麻秆中含有木质素和纤维素等成分,这些成分为制备生物质基活性炭提供了可能。以蓖麻秆为原材料制备活性炭,不但可以实现农业剩余物的有效利用,而且能使种植者提高农业附加值、增加收入。因此,本文选择蓖麻秆为原材料,对蓖麻秆活性炭制备工艺及其对重金属离子的吸附性能和改性蓖麻秆活性炭对有机物光催化降解性能进行研究与探索。具体研究内容如下:(1)以蓖麻秆为原材料,分别以KOH、ZnCl2和H3PO4为化学活化剂,控制活化剂浓度、料液比、活化温度及活化时间等变量,采用单因素及正交实验分别制备蓖麻秆活性炭(CSAC)。以碘(I2)和亚甲基蓝(MB)为吸附质,研究了 3种活化剂的制备工艺条件。正交实验结果表明,以KOH为活化剂,CSAC吸附I2的最佳制备工艺为料液比1:2,KOH浓度40%,活化温度700℃,活化时间1.0h。该条件下的CASC对I2和MB的吸附值分别为927.35mg/g和129.05mg/g;以KOH为活化剂,CSAC吸附MB的最佳制备工艺为料液比1:2.5,KOH浓度为40%,活化温度为800℃,活化时间为2.0h。该条件下对I2和MB的吸附值分别为794.65mg/g和234.17mg/g;以ZnCl2为活化剂,CSAC吸附I2的最佳制备工艺为料液比1:4,ZnCl2浓度30%,活化温度800℃,活化时间2.5h。该条件下对I2和MB的吸附值分别为1182.00mg/g和285.28mg/g;以ZnCl2为活化剂,CSAC吸附MB的最佳制备工艺为料液比1:4,ZnCl2浓度为40%,活化温度为800℃,活化时间为2.5h。该条件下的CSAC对I2和MB的吸附值分别为1056.50mg/g和386.92mg/g;以H3PO4作为活化剂,CSAC吸附I2与MB的最佳制备工艺均为料液比为1:3,H3PO4浓度为50%,活化温度为800℃,活化时间为2.0h。该条件下制备的CSAC综合性能最好,对I2和MB的吸附值分别为1221.27mg/g和305.82mg/g,达到了国家一级活性炭的标准。运用比表面积(BET)、X-射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)等表征方法证明CSAC主要是由无定型碳和石墨微晶组成的多孔颗粒,比表面积达到453.75m2/g以上,表面具有羟基等活性官能团。(2)以H3PO4活化法制备的CSAC为吸附剂,对重金属离子Zn(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)进行吸附研究。通过单因素实验考察了重金属离子溶液的初始浓度、pH值、吸附时的温度和时间这四个因素对CSAC吸附性能的影响,分别得到了 3种最佳吸附条件,同时确定了饱和吸附量的顺序为Zn(Ⅱ)(78.662mg/g)>Pb(Ⅱ)(67.358mg/g)>Mn(Ⅱ)(17.804mg/g);吸附动力学均符合准二级动力学方程,相关系数R2均大于0.9200;吸附等温线均可用Langmuir等温线模型拟合,相关系数R2均大于0.9600。以单层化学吸附为主。(3)以CSAC为载体制备TiO2/CSAC复合光催化剂,利用XRD、FTIR、SEM/EDS对TiO2/CSAC进行了表征分析。结果表明锐钛矿晶型的TiO2纳米颗粒成功负载在CSAC表面。以TiO2/CSAC为光催化剂,研究了光照条件、催化剂用量、负载量、煅烧时间、煅烧温度和溶液浓度等因素对催化性能的影响。最佳制备工艺条件下,0.1g TiO2/CSAC对200mL、3.06×10-4M甲基橙,紫外光下吸附降解率(ADR)为 97.6%;对 100mL、4.25×10-4M 苯酚,紫外光下的 ADR 为 87.7%。(4)利用光沉积法将纳米银(Ag)颗粒沉积在TiO2/CSAC上,制备了Ag-TiO2/CSAC复合光催化剂。运用XRD、FTIR、SEM/EDS对复合光催化剂进行了表征分析。结果发现单质Ag纳米颗粒成功沉积在TiO2/CSAC上。光催化降解实验显示负载量为3%的Ag-TiO2/CSAC具有较好的光降解性。0.1g Ag-TiO2/CSAC对100mL、4.25×10-4 M苯酚,紫外光下的ADR为98.4%,可见光下的ADR为85.4%。相比TiO2/CSAC,Ag-TiO2/CSAC复合光催化剂的ADR提高了 10%以上。Ag纳米颗粒能够有效地减少电子-空穴复合,从而提高催化剂的光催化性能。