油茶壳活性炭的制备及对苯酚吸附条件的研究

1油茶壳活性炭的制备及对苯酚吸附条件的研究理学学院化学化工系化学092郑晓荷指导老师：张启伟摘要本文主要研究油茶壳活性炭的最佳制备条件和制备的活性炭对苯酚的吸附条件。首先，实验研究了活化剂的选择、活化时间和活化温度等条件对成品吸附效果的影响。实验结果表明：KOH活化法效果较好，液料比为1:4，活化剂的浓度是25%，浸渍时间为1.5h，碳化温度为300℃，碳化时间为3h，活化温度为600℃，活化时间1h。此外，还研究了吸附质的初始浓度，活性炭的投入量和吸附的平衡时间等因素对苯酚吸附效果的影响。实验结果表明：在298K下，苯酚初始浓度为106.67mg/L时，吸附平衡时间约为4h,平衡吸附量为55.827mg/g，活性炭的用量为40mg时吸附量最大，随着苯酚浓度的增加吸附量增加但是吸附率减少。关键词KOH活化;活性炭;苯酚;吸附PreparationofCamelliaoleiferashellactivatedcarbonandadsorptionofphenolZhengxiaoheDirector:zhangqiweiAbstractThispapermainlystudiestheoptimalpreparationconditionsofoil-teacamelliashellactivatedcarbonandtheconditionsontheadsorptionofphenolbyactivatedcarbon.Firstly,theexperimentationresearchtheeffectsofactivatingagentselection,activationtimeandtemperatureontheadsorptioneffectofthefinishedproductactivation.Theexperimentalresultsshowthat:theactivationofKOHisbettermethod,Theratioofliquidtosolidis1:4,activationagentconcentrationis25%,Soakingtimeis1.5h,carbonizationtemperatureis300℃,carbonizationtimeis3h,activationtemperatureis600℃,activationtimeis1h.Inaddition,alsostudyingtheeffectofinitialconcentrationofadsorbate,inputamountofactivatedcarbonandtheadsorptionequilibriumtimeontheadsorptioneffectofphenol.Theexperimentalresultsshowthat:Intemperatureof298K,whentheinitialphenolconcentrationwas106.67mg/L,theadsorptionequilibriumtimeis4h,theequilibriumadsorptioncapacityis55.827mg/g.Whentheamountofactivatedcarbonis40mg,theadsorbedamountismaximum.Theadsorptionrateincreasedwithincreasingtheconcentrationofphenol,buttheadsorptionrateisdecrease.2KeywordactivationofKOH;activatedcarbon;phenol;adsorption活性炭是以木材、果壳、煤等含碳材料为原料制备的一类具有发达孔隙结构、很大比表面积、很强吸附能力的微晶质碳，广泛用于食品工业、制药工业中的杂质去除、脱色、水处理、环境污染的治理及工业催化剂的载体等。传统的活性炭原料是木材、果壳和优质煤，木材虽是可再生资源，但其生长周期长，受环境保护和生态平衡的制约，不可能大量地用作活性炭原料；近几年，木屑资源短缺也日趋严重。因此不断开发活性炭生产的原料、探索新的工艺条件、增加新品种是我国乃至世界活性炭工业发展的重要任务。油茶系山茶科山茶属植物，是一种常绿、长寿、果实含油率高的我国特有油料作物，也是与油棕、橄榄、椰子齐名的四大木本食用油源树种之一。我国现有油茶面积约40000(km)，主要分布在湖南、湖北、广东、广西、福建、江西等省。油茶壳是油茶果加工茶油的副产物，包括茶果壳和茶籽壳两部分，全国每年产油茶壳约8万吨。目前，大部分油茶壳当作燃料被烧掉或者当作肥料，造成极大的资源浪费。苯酚是造纸、炼油、塑料、农药、医药合成等行业中的原料，具有极强的生物毒性。在我国水污染控制中，含酚废水被列为重点解决的有害废水之一。因此，含酚废水的处理方法一直是水处理研究中倍受关注的问题。由于含苯酚废水对环境的严重危害，迫切需要高效率、低能耗、最经济的处理方法。本文研究了茶籽壳的活炭的制备条件，并在此基础上，选择比表面积较大的活性炭吸附水相的苯酚，考察吸附条件对吸附性能的影响。1油茶壳活性炭的制备及比表面积表征1.1实验仪器和试剂马弗炉，试验标准筛，小型高速粉碎机，THZ-82A恒温水浴振荡器（±0.50C），电子分析天平，电子天平，恒温烘箱，岛津UV-1240紫外可见分光光度计，坩埚若干，石英比色皿，100mL碘量瓶若干，容量瓶（50mL,100mL,500mL）若干，烧杯，玻璃棒，各量程的吸量管若干。实验所用药品均为分析纯，实验用水均为去离子水。25%KOH溶液：称取25.0g氢氧化钾固体，溶于75mL的去离子水中，搅拌均匀。60%H3PO4溶液：称取40.0g分析纯磷酸溶液，溶于17mL的去离子水中，搅拌均匀。10%HCl溶液：称取20.0g分析纯盐酸溶液，溶于53mL的去离子水中，搅拌均匀。0.2%亚甲基蓝溶液：称取1.00g亚甲基蓝，置于500ml容量瓶中，用去离子水稀释至刻度线，摇匀备用。30.3126×10–3mol·L–1亚甲基蓝标准液：称取0.058g亚甲基蓝，置于500ml容量瓶中，用去离子水稀释至刻度线，摇匀备用。1.2活性炭的制备实验预处理：先将油茶壳用去离子水洗净，放入120℃干燥烘箱中烘干备用。将洗净的油茶壳用粉碎机粉碎，过筛，选取一定粒径的(30目)的油茶壳粉进行活性炭的制备。KOH法活化法制备活性炭：将25%氢氧化钾溶液和油茶壳粉按料液比1：4混合均匀，浸渍1.5h，烘干。将经活化剂浸渍处理的原料置于坩埚中，用马弗炉进行炭(活)化。炭(活)化分二段进行，先设置炭化温度为300℃，炭化时间为3h；然后将活化温度调至600℃，活时间分别为1h、2h、3h、4h。将制得的样品用10%的HC1进行酸洗，再用热水漂洗，放置于干燥箱中120℃烘至恒重，装样待用[1-3]。H3PO4活化法制备活性炭：将60%磷酸溶液和油茶壳按料液比1：3混合均匀，浸渍12h，烘干，将经活化剂浸渍处理的原料置于坩埚中，用马弗炉进行炭(活)化。炭(活)化分二段进行，先设置炭化温度为300℃，炭化时间为3h；然后将活化温度调至600℃，活化时间分别为1h、2h、3h。将制得的样品用10%的HC1进行酸洗，再用热水漂洗，放置于干燥箱中120℃烘至恒重，装样待用[4]。1.3活性炭比表面积的测定活性炭比表面积的测定采用亚甲基蓝溶液吸附法。1.3.1亚甲基蓝最大的吸收波长取浓度为0.04×(0.3126×10-3mol·L–1)的标准溶液亚甲基蓝溶液，以蒸馏水作为空白参比，在600～700nm范围内测量吸光度，所得结果见表1和图1，测得吸光度最大的波长为665nm。表1波长与吸光度的关系Table1Therelationshipbetweenwavelengthandabsorbance波长（nm）600620640660665670680A0.2230.2580.2970.4120.4250.3870.25541.3.2标准曲线的绘制分别量取2、4、6、9、11mL浓度为0.3126×10-3mol·L–1的标准溶液于100mL容量瓶中，蒸馏水定容摇匀，依次编号1、2、3、4、5待用。1、2、3、4、5等五个标液的浓度依次为0.02、0.04、0.06、0.09、0.11×(0.3126×10-3mol·L–1)。以空白试剂为参比，用光程为1cm玻璃比色皿，在665nm的波长处测定吸光度，所得结果见图2。图2：亚甲基蓝溶液的标准曲线Figure2:thestandardcurveofmethylenebluesolutiony=0.7188x+0.0234R2=0.99790.0000.1000.2000.3000.4000.5000.6000.7000.80000.20.40.60.81浓度(0.3126×10-2mol·L–1)A5y=0.7188x+0.0234(其中x代表亚甲基蓝的浓度，y代表吸光度A)实验结果表明：在吸光度0.200~0.700范围内，亚甲基蓝的浓度和吸光度值的线性关系符合朗伯比尔定律。1.3.3比表面积的测定取5只干燥的碘量瓶，编号，分别准确称取活化过的活性炭约0.1g置于瓶中，按表2配制不同浓度的次甲基蓝溶液50mL，塞好，放在振荡器上震荡3h。样品振荡达到平衡后，将锥形瓶取下，用砂芯漏斗过滤，得到吸附平衡后滤液。将滤液稀释到合适的浓度，以空白试剂为参比，测得吸附后的吸光度。绘制作ci/Гi～ci图，从直线斜率可求得，根据以下公式计算比表面积S和比表面积S*。关于亚甲基蓝在活性炭表面吸可能不是端基吸附，而是平面吸附，其中，端基吸附的影面积σA=3.9×10-19m2，而平面吸附的投影面积σA=1.35×10-18m2，端基吸附的影面积σA与平面吸附的投影面积σA的比值（3.9×10-19m2/1.35×10-18m2=3.46）,用不同σA计算出的比表面积值相差较大，用平面吸附的投影面积σA计算出的数值与表面积测定仪测定结果更加一致。比表面积S是用基端吸附投影面积的计算值，比表面积中的S*（m2·g–1）是用平面吸附投影面积的计算值。[10-11]Гi=(c0,i-ci)V/mci/Гi=1/(K吸)+ci/S=LAS*=3.46S式中：平衡浓度ci（mol·L–1），初始浓度c0,i(mol·L–1)，吸附溶液的总体积V(L)，加入溶液的吸附剂质量m(g)，A＝39×10–20m2,L为阿伏加德罗常数。吸附量Γi(mol·g–1)，Γ∞(mol·g–1)表示全部吸附位被占据时单分子层吸附量，即饱和吸附量。表2吸附试样配制比例Table2Adsorptionsampleproportion1.4结果与讨论1.4.1KOH活化法制备活性炭的亚甲基蓝吸附值及比表面积测定了按1.2节实验方法制备的四种油茶壳活性炭。活化剂为25%氢氧化钾溶液，油茶壳和活化剂的料液比为1：4，浸渍时间1.5h，炭(活)化条件为：先300℃炭(活)化3h，后600℃继续炭(活)化1、2、3、4h。比表面积测定的实验结果见表3。瓶编号12345V(0.2%次甲基蓝溶液)/mL302015105V(蒸馏水)/mL20303540456表3活化时间的影响Table3Effectofactivationtime炭(活)化温度(℃)300，600300，600300，600300，600炭(活)化时间（h）3+13+23+33+4最大吸附量（mol·g–1）1.75381.41300.62010.5758比表面积S（m2·g–1）411.76331.74145.59135.19比表面积S*（m2·g–1）1425.31148.3504.0468.0实验结果表明：将25%氢氧化钾溶液和油茶壳按料液比1：4混合均匀，浸渍1.5h，，先设置碳化温度为300℃，碳化3个小时，活化温度600℃等条件下活化1小时所得的炭比表面积最大，