佛手渣基活性炭对碘吸附性能的研究VIP

本科生毕业设计（论文）( 2011 届 ) 题 目： 佛手渣基活性炭对碘吸附性能的研究 学 院： 化学与科学生命科学学院 专 业： 应用化学 学生姓名： 方晓玲 学号： 07630104 指导教师： 代伟 职称： 副教授 合作导师： 职称： 完成时间： 2011 年 5 月 25 日 成 绩： 浙江师范大学毕业设计（论文）正文目 录摘要 .1英文摘要 .11 引言 .12 文献综述 .22.1 活性炭的结构 .22.1.1 活性炭的微晶结构 .22.1.2 活性炭的孔隙结构 .42.1.3 活性炭的化学结构 .42.2 活性炭的性质 .62.2.1 吸附性质 .62.2.2 化学性质 .62.2.3 催化性 .72.2.4 机械性 .72.3 活性炭的制备 .72.3.1 原材料 .72.3.2 炭化 .82.3.3 物理活化 .92.3.4 化学活化 .92.4 活性炭的应用 .122.4.1 活性炭在吸附方面的应用 .122.4.2 活性炭在催化方面的应用 .132.5 本文研究的内容 .133 实验部分 .133.1 实验试剂及仪器 .133.1.1 实验试剂 .133.1.2 炭化实验装置 .143.2 实验步骤 .143.3 碘吸附测定方法 .144 结果与讨论 .154.1 炭化温度对碘吸附值的影响 .154.2 升温速率对碘吸附值的影响 .164.3 炭化时间对碘吸附值的影响 .174.4 碱炭比对碘吸附值的影响 .184.5 活化温度对碘吸附值的影响 .194.6 活化时间对碘吸附值的影响 .205 结论 .21参考文献 .21致谢 .221百手起驾 整理为您佛手渣基活性炭对碘吸附性能的研究化学与生命科学学院 应用化学专业 071 班级 方晓玲 07630104指导教师：代伟 副教授摘要：本文以廉价易得的佛手渣为原料，通过炭化和化学活化来制备活性炭。考察了炭化温度、炭化时间、升温速率、碱炭比、活化温度和活化时间对活性炭碘吸附值的影响，结果表明炭化温度 450、炭化时间 2h 和升温速率 7/min 是较适合的反应条件，碱炭比为 4:1、活化温度 850和活化时间 1h 是比较好的活化条件，能制备出比表面积达到 2230 m2 g-1 的活性碳。关键词：活性炭；佛手渣；活性炭制备 Study of Iodine Adsorption Property in Activated Carbon prepared by Bergamot ResidueFang Xiao-ling Director：Dai Wei(College of Chemistry And Life Science, Zhejiang Normal University, 071 No.07630104）Abstract：In this thesis, activated carbon were prepared from cheap and easily obtained bergamot residue by carbonization followed by chemical activation.The effects of various preparation parameters such as carbonization temperature, carbonization time,heating rate, alkali/carbon ratio, activation temperature and activation time on iodine adsorption value of as-synthesized activated carbons were investigated. It has been found that the optimum synthesis conditions are as follows: carbonization temperature is 450C;carbonization time is 2 h;heating rate is 7C/min;alkali/carbon ratio is 4:1;activation temperature is 850C;activation time is 1h. The activation carbon with surface are of 2230 m2 g-1 can be obtained.Key words: Activated carbon; Preparation; Bergamot residue 1 引言在 21 世纪，材料、信息和能源被列为现代科学技术的三大支柱，也是现代社会赖以生存和发展的基本条件之一，其中材料科学具有极其重要的地位。一般将材料可分为传统材料和新型材料两大类。新型材料是指新近开发，具有优异性能的材料，它对高科技发展具有非常关键的作用。活 性 炭 是 一 种 既 古 老 又 年 轻 的 功 能 材 料 。 早 在 古 埃 及 时 代 人 们 就 用 木 炭来 消 除 溃 疡 和 伤 口 散 发 出 的 恶 臭 气 味 。 近 百 余 年 的 历 史 表 明 ， 活 性 炭 的 制 备与 应 用 一 直 与 社 会 的 工 业 化 进 展 和 人 类 文 明 的 进 步 密 切 相 关 。 早 在 上 一 世 纪2百手起驾 整理为您中 叶 ， 活 性 炭 已 成 为 工 业 碳 素 材 料 的 主 流 产 品 之 一 ， 它 的 应 用 几 乎 涉 及 到 所有 的 工 业 部 门 。 近 年 来 ， 环 保 产 业 以 及 高 新 技 术 产 业 的 兴 起 ， 给 活 性 炭 的 发展 带 来 了 新 的 契 机 。 目 前 ， 有 关 活 性 炭 的 研 究 有 两 大 趋 势 ， 一 是 环 保 行 业 日益 发 展 的 要 求 ， 需 要 原 料 来 源 广 泛 ， 价 格 低 廉 的 常 规 炭 质 吸 附 剂 ； 二 是 要 求制 造 的 活 性 炭 具 有 高 比 表 面 积 和 特 殊 用 途 的 高 性 能 。以废弃物为原料制备活性炭不仅可降 低 制 备 活 性 炭 的 成 本 ， 而 且 具 有 重 要的 环 保 意 义 。 金华佛手含有微量的香叶木甙和橙皮甙以及多种维生素，叶苦含锌、温而无毒、气味芳香、有醒脾开胃、快膈化滞、顺气宽胸和疏肝解郁等功能。将佛手榨汁制成饮料极具有巨大的市场效益，以填埋或垃圾方式处理榨汁后的佛手渣废料，佛手渣含有大量炭元素，具有制备活性炭的潜力。本论文开展了佛手渣基活性炭制备工艺，考察了制备工艺条件对碘吸附值的影响。2 文献综述活性炭是以碳为主要成分的吸附材料，结构比较复杂，既不像石墨、金刚石那样，碳原子具有一定排列规律，又不像一般含碳物质那样具有复杂的大分子结构。一般认为活性炭结构是类似石墨微晶的不规则交联，微晶间的强烈交联的网状孔结构，活性炭的吸附性和催化性正是基于其具有多孔性。2.1 活性炭的结构2.1.1 活性炭的微晶结构活性炭是一种主要由元素碳组成的多孔物质，其碳具有类似石墨的层状晶体结构，称为石墨微晶。碳原子具有(2s) 2、(2p) 2 两种价电子，化学结合时形成 sp、sp 2、sp 3 三种混合轨道。特别是构成活性炭的基本结构单元的结构，是由 sp2 混合轨道所形成的、结合角为 120的平面结构。严格地说，在图 2-1 中表示的那样一种二元格子结构，可以说是活性炭的碳原子配列所能见到的惟一的规则结构。由这样排列的碳原子所形成的基底面规则性地积层结构所构成的三元结晶称作石墨 1。但是，构成活性炭孔壁的炭素固体虽然叫做石墨状微晶，二元格子却没有采取石墨那样规则性的积层结构。依据 X 射线衍射、X 射线小角散射或电子显微镜观察，活性炭的细孔壁由类石墨微晶组成，该石墨微晶是由 2-4 层石墨层片组成的平面状的结构单元堆叠而成，形成图 2-2 中所示的乱层结构，其结构类似于无定形炭的 Franklin 模型。所以活性炭中不存在严格意义上的三元性规则结构 2,3 。3百手起驾 整理为您图 2-1 石墨状二元结晶结构Fig.2-1 Two-dimensional crystal lattice structure of graphite4百手起驾 整理为您图 2-2 活性炭微晶中的乱层结构Fig.2-2 The irregular layer structure of activated carbon2.1.2 活性炭的孔隙结构石墨微晶在活性炭中是无规则排列的，堆积的相当疏松但相互连接却十分牢固。正是由于这种结构，各晶体之间才有许多形状、大小不同的孔隙。这些孔隙最大的用光学显微镜就可以看到，有的则与分子一样大小，需要用高分辨率电子显微镜才能看到。根据 Dubinin 提出并为国际理论与应用化学协会(IUPAC)采纳的分类法 4,5，孔径 r50nm 为大孔。一般说来，活性炭的结构通常含有微孔、中孔和大孔，如图 2-3 在活性炭的吸附过程中，这三种孔隙各有它们的特殊作用。对吸附来说，最重要的是微孔，由于微孔有很大的孔容积和比表面积，所以它在很大程度上决定着活性炭的吸附能力。中孔的作用表现在足够高的压力下按毛细凝聚的机理吸附物质蒸气；同时作为被吸附物质达到微孔的通道；且在液相吸附中对大分子的物质有很好的吸附效果。大孔主要起运输通道的作用。高比表面积活性炭的微孔容积占总孔容 80%以上，其次是中孔容积，而大孔容积所占比例几乎忽略 6 。图 2-3 活性炭的孔隙结构模型 Fig.2-3 The Porousstruetural model of activated carbon5百手起驾 整理为您2.1.3 活性炭的化学结构活性炭的组成元素因原料而异，因其碳固体表面原子不饱和性的存在，它们将以化学形式结合碳成分以外的原子和原子基团，形成各种表面功能基团，因而使活性炭产生了各种各样的吸附特性。由于活性炭大部分是由碳组成，其本身没有极性。所以可以认为，其表面呈疏水性。但是，随着原料组成、生产过程及使用期间周围环境的不同，炭材料表面的性质会发生变化。这是由于炭表面被氧气、水等氧化剂氧化，或多或少地生成了含氧官能团的缘故。这些氧原子以梭基、酚轻基和拨基等亲水基团分布在表面，所以表面也具有一定的亲水性。石墨粉是不沾水的，活性炭粉末可以分散在水中。这种表面状态的差异，形成炭材料界面化学性质的多样性。活性炭的表面化学性质很大程度上由表面官能团的类别和数量决定，其最常见的官能团是含氧官能团。活性炭表面所含的氧，大多数以含氧官能团的形式存在，这也是活性炭的最主要的活性基团。一般认为有如图 2-4 所示的几种 7。活性炭表面官能团可以由傅里叶变换红外光谱(FTIR)测定，研究表明活性炭显示了脂肪族结构、芳香族结构及梭基的吸收特征。各种表面官能团的不同对活性炭表面的酸碱性、润湿性、吸附选择性、催化性及导电性等产生影响。因此，人们对活性炭表面进行化学改性，以提高它某些方面的特性的研究越来越受到重视。许多研究表明，这些炭材料表面官能团的种类和密度可以通过氧化处理改变，可采用气相氧化如空气，或是液相的氧化，如 H2SO4、HNO 3、H 2O2 等氧化性溶液来增加多孔炭材料表面的羧基、羰基、酚羟基等官能团的数量。活性炭和木炭的表面官能团种类及含量随着热处理温度的变化而变化，温度低时酸性基团多，温度高时酸性基团减少，碱性基团增加 8,9 。图 2-4 炭表面官能团 Fig.2-4 Surface functional groups of carbon6百手起驾 整理为您2.2 活性炭的性质2.2.1 吸附性质吸附性质是活性炭的首要性质。活性炭具有像石墨品粒却无规则地排列的微晶。在活化过程中微晶间产生了形状不同、大小不一的孔隙，由于这些孔隙，特别是微孔提供了巨大的表面积，微孔的孔隙容积一般约为 0.25-0.9mL/g，活性炭几乎 95以上的表面积都在微孔中，因此除了有些大分子进不了外，微孔是决定活性炭吸附性能高低的重要因素。中孔的孔隙容积一般约为 0.02-1.0mL/g，表面积最高可达几百平方米，一般只有活性炭总表面积的约 5%，其作用能吸附蒸汽，并能为吸附物提供进入微孔的通道，又能直接吸附较大的分子。大孔的孔隙容积一般约为 0.2-0.5 mL/g。山队表面积只约 0.5-2m2/g，其作用一是使吸附质分子快速深入活性炭内部较小的孔隙中去；二是作为催化载体时，催化剂含少量沉淀在微孔内，大都沉淀在大孔和中孔之中。所提的活性炭表面积理应包括内表面积和外表面积，事实上吸附性质主要来自巨大的内表面积，因此不能误认为：把活性炭研磨细会明显提高表面积从而提高吸附力。很多吸附是可逆的物理吸附，即被吸附物为液体，在一定温度和压力下被活性炭吸附，在高温低压下被吸附物又解吸出来，活性炭内表面恢复原状。这是广泛应用的物理吸附，学术上又称为范德华吸附。吸附在吸附剂表面上的吸附质脱离吸附剂表面的过程叫做脱附，又叫做解吸。在许多吸附过程中，吸附和脱附是同时存在的。在吸附的开始阶段，吸附过程占主导地位；随着吸附的进行，脱附过程逐渐增强。当吸附速度与脱附速度相等，也就是说，单位时间内吸附到吸附剂表面上的吸附质数量等于从吸附剂表面上脱附的吸附质数量时，在吸附剂表面上所维持的吸附质总量(即吸附量)就维持不变，达到了吸附的平衡状态。处于平衡状态时的吸附量，受吸附剂和吸附质的性质，以及吸附时的外界条件，如温度、吸附质的浓度(或分压)等影 10。2.2.2 化学性质活性炭的吸附除了物理吸附，还有化学吸附。活性炭的吸附性既取决于孔隙结构，又取决于化学组成。活性炭不仅含碳，而且含少量的化学结合，功能团形式的氧和氢，例如碳基、按基、酚类、内能类、酮类、醚类。这些表面上含有的氧化物或络合物，有些来自原料的衍生物，有些是在活化时、活化后由空气或水蒸气的作用而生成。有时还会生成表面硫化物和氯化物。在活化中原料所含矿物质集中到活性炭里成为灰分，灰分的主要成分是碱金属和碱土金属的盐类，如碳酸盐和磷酸7百手起驾 整理为您盐等。2.2.3 催化性活性炭在许多吸附过程中伴有催化作用，表现出催化剂的活性。例如活性炭吸附二氧化硫经催化氧化变成三氧化硫。由于活性炭有特异的表面含氧化合物或络合物的存在，对多种反应具有催化剂的活性，例如使氯气和一氧化碳生成光气。由于活性炭和载持物之间会形成络合物，这种络合物催化剂使催化活性大增，例如载持钯盐的活性炭，即使没有铜盐的催化剂存在，烯烃的氧化反应也能催化进行，而且速度快、选择性高。由于活性炭具有发达的细孔结构、巨大的内表面积和很好的耐热性、耐酸性、耐碱性，可作为催化剂的裁体。例如，有机化学中加氢、脱氢、环化、异构化等的反应中，活性炭是铂、铅催化剂的优良载体 11。2.2.4 机械性活性炭的机械性包括：(1)粒度：采用一套标准筛筛分法，求出留在和通过每只筛子的活性炭重量，表示粒度分布。(2)表观密度或堆密度：包含孔隙容积和颗粒间空隙容积的单位体积活性炭的重量。(3)体积密度或颗粒密度：包含孔隙容积而不包含颗粒间空隙容积的单位体积活性炭的重量。(4)强度：即活性炭的耐破碎性。(5)耐磨性：即耐磨损或抗磨擦的性能。这些机械性质直接影响应用。例如：密度影响容积大小；粉炭粗细影响过滤；粒炭粒度分布影响流体阻力和压降，破碎性影响使用寿命和废炭再生 12。2.3 活性炭的制备2.3.1 原材料如表 2-1 中所示，范围很广的各种含碳物质都可以用来生产活性炭。但对于颗粒活性炭而言，好的原料，换句话说，能够生产出灰分少、再生效果好的活性炭的原料，仅产于地球上的少数地方，围绕着这些优良原料的争夺战，世界性规模激烈地进行着。另一方面，这也极大地刺激了通过代替性原料生产再生效果好的活性炭方而的研究工作。以前，日本国产原料主要是锯木屑炭；而作为外国出产的原料以椰壳炭为主。但随着活性炭需要量的增加和用途的扩大，8百手起驾 整理为您使用的原始材料已经扩张到橡胶树木炭，煤及石油沥青等含碳物质了。而且废料如飘尘、旧轮胎、污泥、家庭废物等都可作活性炭的原料，但因常伴有大量不能炭化的