CN114700036A - 一种改性烟杆基生物质多级孔炭及其制备方法和应用 - Google Patents

一种改性烟杆基生物质多级孔炭及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN114700036A
CN114700036A CN202210300116.1A CN202210300116A CN114700036A CN 114700036 A CN114700036 A CN 114700036A CN 202210300116 A CN202210300116 A CN 202210300116A CN 114700036 A CN114700036 A CN 114700036A
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon
doped
washing
based biomass
koh
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210300116.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114700036B (zh
Inventor
黄碧纯
文杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN202210300116.1A priority Critical patent/CN114700036B/zh
Publication of CN114700036A publication Critical patent/CN114700036A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114700036B publication Critical patent/CN114700036B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/0203—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising compounds of metals not provided for in B01J20/04
    • B01J20/0259—Compounds of N, P, As, Sb, Bi
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/20—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising free carbon; comprising carbon obtained by carbonising processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/20—Halogens or halogen compounds
    • B01D2257/206—Organic halogen compounds
    • B01D2257/2064—Chlorine
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2220/00—Aspects relating to sorbent materials
    • B01J2220/40—Aspects relating to the composition of sorbent or filter aid materials
    • B01J2220/48—Sorbents characterised by the starting material used for their preparation
    • B01J2220/4812—Sorbents characterised by the starting material used for their preparation the starting material being of organic character
    • B01J2220/485—Plants or land vegetals, e.g. cereals, wheat, corn, rice, sphagnum, peat moss

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明属于环境保护与环境污染治理技术领域，公开了一种改性烟杆基生物质多级孔炭及其制备方法和应用，包括以下步骤：(1)废弃烟杆、N掺杂改性剂和水加入反应釜中，搅拌均匀，进行水热反应，所得产物水洗、抽滤后干燥，得到N掺杂水热炭；(2)将N掺杂水热炭和KOH混合均匀，在保护气氛下，于700℃‑900℃煅烧1‑5h，待冷却，然后洗涤至中性，干燥，即制得改性烟杆基生物质多级孔炭；本发明添加N掺杂改性剂，采用水热炭化和KOH活化法制备多级孔炭，制备方法简单，成本低；制得的改性烟杆基生物质多级孔炭具有较高的比表面积，高达2875m2/g，且对氯苯具有优异的吸附性能，氯苯吸附量高达1053mg/g。

Description

一种改性烟杆基生物质多级孔炭及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于环境保护与环境污染治理技术领域，具体涉及一种高吸附性能多级孔炭的制备方法及应用。
背景技术
氯苯类挥发性有机物(CB)是含氯挥发性有机化合物(CVOCs)中的一类以氯代苯环为主要结构的有机化合物，通过垃圾焚烧、石油化工等多种工业过程释放到大气中。造成臭氧层破坏与光化学烟雾，且很难被生物降解,部分对人体具有很强的“三致”效应。吸附技术是目前最有效且经济安全的技术。该项技术的核心是高效吸附剂。在众多吸附剂中，多孔炭材料由于其易制备,生产成本低，再生耗能低，被广泛应用。其中，多级孔炭材料被认为是一种极具潜力的新型吸附材料，相对于单一等级孔炭材料而言，多级孔不仅具有单级孔的优异性能，而且具有多级孔的协同作用。
N掺杂可以有效优化多孔炭材料的孔隙结构，改变其表面化学性质。在活化过程中，加入含N物质，如尿素、三聚氰胺等，会大幅度提高炭材料的孔隙率。除此之外，碳质材料中含N官能团有利于芳香族VOCs的吸附，因为它们与芳香族VOCs中的苯环具有π-π分散相互作用。
生物质炭是碳质吸附剂家族中的重要一员，它可以一定程度上解决传统活性炭吸附量小，生产过程中的污染问题等缺点。废弃烟杆作为一种农产品，具有价格低廉，可再生等优点。目前未见到以废弃烟杆作为生物质活性炭的原料，制备生物质活性炭作为挥发性有机污染物氯苯的吸附剂的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改性烟杆基生物质多级孔炭的制备方法，原料廉价、方法简单，且制备的活性炭具有极高的比表面积、分层的孔隙结构和优异的氯苯吸附性能。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种改性烟杆基生物质多级孔炭的制备方法，包括以下步骤：
(1)废弃烟杆、N掺杂改性剂和水加入反应釜中，搅拌均匀，进行水热反应，所得产物水洗、抽滤后干燥，得到N掺杂水热炭；所述草酸铵和废弃烟杆质量比为0.25～1.5；
(2)将N掺杂水热炭和KOH混合均匀，在保护气氛下，于700℃-900℃煅烧1-5h，待冷却，然后洗涤至中性，干燥，即制得改性烟杆基生物质多级孔炭；所述KOH与N掺杂水热炭质量比为0.5～4。
优选地，步骤(1)所述N掺杂改性剂和废弃烟杆质量比为0.5～1.0，所述水热反应的温度为180±20℃，时间为8-12h。
优选地，所述N掺杂改性剂包括草酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵、硝酸铵、硫酸铵、尿素和氯化铵中的一种或多种。
优选地，步骤(2)所述KOH和N掺杂水热炭的质量比为1～3；所述煅烧温度为800±50℃，时间为2±0.5h。
优选地，步骤(1)中废弃烟杆与水的质量体积比为1-5：50-100g/mL。
优选地，步骤(2)中煅烧的升温速率为5±2℃/min。
优选地，步骤(1)、(2)中干燥温度为80-120℃。
优选地，步骤(2)中洗涤是先用浓度为0.5-2mol/L的盐酸洗涤，再用水洗涤。
上述方法制得的改性烟杆基生物质多级孔炭在吸附氯苯中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)废弃烟杆是一种富含碳元素的特殊结构的生物大分子物质，特别适合用于制备多孔生物质炭吸附剂材料，并用于气体的吸附富集。
(2)本发明采用废弃烟杆作为碳前驱体，添加N掺杂改性剂，通过共水热的方法，将N引入到碳前驱体中，并将N掺杂的水热炭和KOH混合活化，通过化学活化和改性手段，可以在其表面刻蚀出0.5-5nm的孔道，成为氯苯的有效吸附位点，制备得到的改性烟杆基生物质多级孔炭具有较高的比表面积和分层的孔隙结构，对氯苯具有优异的吸附性能，比表面积为2875m2/g，氯苯吸附量为1053mg/g，远高于未经草酸铵改性的多孔炭材料，比表面积为1722m2/g，氯苯吸附量为723mg/g。
附图说明
图1为实施例1-3和对比例8-10的烟杆基生物质多孔炭对氯苯吸附穿透曲线。
图2为实施例3-5和对比例10的烟杆基生物质多孔炭对氯苯吸附穿透曲线。
图3为实施例3和对比例10-13的烟杆基生物质多孔炭对氯苯吸附穿透曲线。
图4为实施例3的烟杆基生物质活性炭和商业活性炭对氯苯的吸附穿透曲线。
图5为实施例1-3和对比例8-11的N2吸附/脱附等温线。
图6为实施例3和对比例10的孔径分布曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1
一种改性烟杆基生物质多级孔炭的制备方法，包括以下步骤：
1)3g草酸铵、3g废弃烟杆加入50ml去离子水中，搅拌均匀，再转移至100ml聚四氟乙烯内衬不锈钢反应釜中，在180℃条件下加热10h，反应后冷却至室温，用去离子水反复洗涤和抽滤，所得产物于80℃烘箱过夜干燥，得到N掺杂水热炭。
2)步骤1)所得N掺杂水热炭与KOH的质量比按1：2的比例混合并研磨均匀，置于刚玉舟中。
3)步骤2)所得物在N2气氛下于管式炉中焙烧90min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为600℃，待其降至室温，取出。
4)将步骤3)所得物于1mol/L的盐酸溶液中洗涤，再用去离子水洗涤至中性，并于120℃烘箱中烘干。(记为1CNPCK-600，其中废弃烟杆和草酸铵的质量比为1：1，N掺杂水热炭与KOH的质量比为1：2，焙烧温度为600℃。)
实施例2
一种改性烟杆基生物质多级孔炭的制备方法，包括以下步骤：
1)3g草酸铵、3g废弃烟杆加入50ml去离子水中，搅拌均匀，再转移至100ml聚四氟乙烯内衬不锈钢反应釜中，在180℃条件下加热10h，反应后冷却至室温，用去离子水反复洗涤和抽滤，所得产物于80℃烘箱过夜干燥，得到N掺杂水热炭。
2)步骤1)所得N掺杂水热炭与KOH的质量比按1：2的比例混合并研磨均匀，置于刚玉舟中。
3)步骤2)所得物在N2气氛下于管式炉中焙烧90min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为700℃，待其降至室温，取出。
4)将步骤3)所得物于1mol/L的盐酸溶液中洗涤，再用去离子水洗涤至中性，并于120℃烘箱中烘干。(记为1CNPCK-700，其中废弃烟杆和草酸铵的质量比为1：1，N掺杂水热炭与KOH的质量比为1：2，焙烧温度为700℃。)
实施例3
一种改性烟杆基生物质多级孔炭的制备方法，包括以下步骤：
1)3g草酸铵、3g废弃烟杆加入50ml去离子水中，搅拌均匀，再转移至100ml聚四氟乙烯内衬不锈钢反应釜中，在180℃条件下加热10h，反应后冷却至室温，用去离子水反复洗涤和抽滤，所得产物于80℃烘箱过夜干燥，得到N掺杂水热炭。
2)步骤1)所得N掺杂水热炭与KOH的质量比按1：2的比例混合并研磨均匀，置于刚玉舟中。
3)步骤2)所得物在N2气氛下于管式炉中焙烧90min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为800℃，待其降至室温，取出。
4)将步骤3)所得物于1mol/L的盐酸溶液中洗涤，再用去离子水洗涤至中性，并于120℃烘箱中烘干。(记为1CNPCK-800，其中废弃烟杆和草酸铵的质量比为1：1，N掺杂水热炭与KOH的质量比为1：2，焙烧温度为800℃。)
实施例4
一种改性烟杆基生物质多级孔炭的制备方法，包括以下步骤：
1)1.5g草酸铵、3g废弃烟杆加入50ml去离子水中，搅拌均匀，再转移至100ml聚四氟乙烯内衬不锈钢反应釜中，在180℃条件下加热10h，反应后冷却至室温，用去离子水反复洗涤和抽滤，所得产物于80℃烘箱过夜干燥，得到N掺杂水热炭。
2)步骤1)所得N掺杂水热炭与KOH的质量比按1：2的比例混合并研磨均匀，置于刚玉舟中。
3)步骤2)所得物在N2气氛下于管式炉中焙烧90min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为800℃，待其降至室温，取出。
4)将步骤3)所得物于1mol/L的盐酸溶液中洗涤，再用去离子水洗涤至中性，并于120℃烘箱中烘干。(记为0.5CNPCK-800，其中废弃烟杆和草酸铵的质量比为0.5：1，N掺杂水热炭与KOH的质量比为1：2，焙烧温度为800℃。)
实施例5
一种改性烟杆基生物质多级孔炭的制备方法，包括以下步骤：
1)0.75g草酸铵、3g废弃烟杆加入50ml去离子水中，搅拌均匀，再转移至100ml聚四氟乙烯内衬不锈钢反应釜中，在180℃条件下加热10h，反应后冷却至室温，用去离子水反复洗涤和抽滤，所得产物于80℃烘箱过夜干燥，得到N掺杂水热炭。
2)步骤1)所得N掺杂水热炭与KOH的质量比按1：2的比例混合并研磨均匀，置于刚玉舟中。
3)步骤2)所得物在N2气氛下于管式炉中焙烧90min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为800℃，待其降至室温，取出。
4)将步骤3)所得物于1mol/L的盐酸溶液中洗涤，再用去离子水洗涤至中性，并于120℃烘箱中烘干。(记为0.25CNPCK-800，其中废弃烟杆和草酸铵的质量比为0.25：1，N掺杂水热炭与KOH的质量比为1：2，焙烧温度为800℃。)
实施例6
一种改性烟杆基生物质多级孔炭的制备方法，包括以下步骤：
1)3g尿素、3g废弃烟杆加入50ml去离子水中，搅拌均匀，再转移至100ml聚四氟乙烯内衬不锈钢反应釜中，在180℃条件下加热10h，反应后冷却至室温，用去离子水反复洗涤和抽滤，所得产物于80℃烘箱过夜干燥，得到N掺杂水热炭。
2)步骤1)所得N掺杂水热炭与KOH的质量比按1：2的比例混合并研磨均匀，置于刚玉舟中。
3)步骤2)所得物在N2气氛下于管式炉中焙烧90min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为800℃，待其降至室温，取出。
4)将步骤3)所得物于1mol/L的盐酸溶液中洗涤，再用去离子水洗涤至中性，并于120℃烘箱中烘干。(记为1NNPCK-800，其中废弃烟杆和尿素的质量比为1：1，N掺杂水热炭与KOH的质量比为1：2，焙烧温度为800℃。)
实施例7
一种改性烟杆基生物质多级孔炭的制备方法，包括以下步骤：
1)3g碳酸铵、3g废弃烟杆加入50ml去离子水中，搅拌均匀，再转移至100ml聚四氟乙烯内衬不锈钢反应釜中，在180℃条件下加热10h，反应后冷却至室温，用去离子水反复洗涤和抽滤，所得产物于80℃烘箱过夜干燥，得到N掺杂水热炭。
2)步骤1)所得N掺杂水热炭与KOH的质量比按1：2的比例混合并研磨均匀，置于刚玉舟中。
3)步骤2)所得物在N2气氛下于管式炉中焙烧90min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为800℃，待其降至室温，取出。
4)将步骤3)所得物于1mol/L的盐酸溶液中洗涤，再用去离子水洗涤至中性，并于120℃烘箱中烘干。(记为1TNPCK-800，其中废弃烟杆和碳酸铵的质量比为1：1，N掺杂水热炭与KOH的质量比为1：2，焙烧温度为800℃。)
对比例8
一种烟杆基生物质多孔炭的制备方法，包括以下步骤：
1)3g废弃烟杆加入50ml去离子水中，搅拌均匀，再转移至100ml聚四氟乙烯内衬不锈钢反应釜中，在180℃条件下加热10h，反应后冷却至室温，用去离子水反复洗涤和抽滤，所得产物于80℃烘箱过夜干燥，得到水热炭。
2)步骤1)所得水热炭与KOH的质量比按1：2的比例混合并研磨均匀，置于刚玉舟中。
3)步骤2)所得物在N2气氛下于管式炉中焙烧90min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为600℃，待其降至室温，取出。
4)将步骤3)所得物于1mol/L的盐酸溶液中洗涤，再用去离子水洗涤至中性，并于120℃烘箱中烘干。(记为PCK-600，其中水热炭与KOH的质量比为1：2，焙烧温度为600℃。)
对比例9
一种烟杆基生物质多孔炭的制备方法，包括以下步骤：
1)3g废弃烟杆加入50ml去离子水中，搅拌均匀，再转移至100ml聚四氟乙烯内衬不锈钢反应釜中，在180℃条件下加热10h，反应后冷却至室温，用去离子水反复洗涤和抽滤，所得产物于80℃烘箱过夜干燥，得到水热炭。
2)步骤1)所得水热炭与KOH的质量比按1：2的比例混合并研磨均匀，置于刚玉舟中。
3)步骤2)所得物在N2气氛下于管式炉中焙烧90min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为700℃，待其降至室温，取出。
4)将步骤3)所得物于1mol/L的盐酸溶液中洗涤，再用去离子水洗涤至中性，并于120℃烘箱中烘干。(记为PCK-700，其中水热炭与KOH的质量比为1：2，焙烧温度为700℃。)
对比例10
一种烟杆基生物质多孔炭的制备方法，包括以下步骤：
1)3g废弃烟杆加入50ml去离子水中，搅拌均匀，再转移至100ml聚四氟乙烯内衬不锈钢反应釜中，在180℃条件下加热10h，反应后冷却至室温，用去离子水反复洗涤和抽滤，所得产物于80℃烘箱过夜干燥，得到水热炭。
2)步骤1)所得水热炭与KOH的质量比按1：2的比例混合并研磨均匀，置于刚玉舟中。
3)步骤2)所得物在N2气氛下于管式炉中焙烧90min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为800℃，待其降至室温，取出。
4)将步骤3)所得物于1mol/L的盐酸溶液中洗涤，再用去离子水洗涤至中性，并于120℃烘箱中烘干。(记为PCK-800，其中水热炭与KOH的质量比为1：2，焙烧温度为800℃。)
对比例11
一种烟杆基生物质多孔炭的制备方法，包括以下步骤：
1)3g草酸铵、3g废弃烟杆加入50ml去离子水中，搅拌均匀，再转移至100ml聚四氟乙烯内衬不锈钢反应釜中，在180℃条件下加热10h，反应后冷却至室温，用去离子水反复洗涤和抽滤，所得产物于80℃烘箱过夜干燥，得到N掺杂水热炭。
2)步骤1)所得物在N2气氛下于管式炉中焙烧90min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为800℃，待其降至室温，取出。
3)将步骤4)所得物用去离子水洗涤至中性，并于120℃烘箱中烘干。(记为1CNPC-800，其中废弃烟杆和草酸铵的质量比为1：1焙烧温度为800℃。)
对比例12
一种改性烟杆基生物质多孔炭的制备方法，包括以下步骤：
1)3g草酸铵、3g废弃烟杆加入50ml去离子水中，搅拌均匀，再转移至100ml聚四氟乙烯内衬不锈钢反应釜中，在180℃条件下加热10h，反应后冷却至室温，用去离子水反复洗涤和抽滤，所得产物于80℃烘箱过夜干燥，得到N掺杂水热炭。
2)步骤1)所得N掺杂水热炭与ZnCl2的质量比按1：2的比例混合并研磨均匀，置于刚玉舟中。
3)步骤2)所得物在N2气氛下于管式炉中焙烧90min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为800℃，待其降至室温，取出。
4)将步骤3)所得物于1mol/L的盐酸溶液中洗涤，再用去离子水洗涤至中性，并于120℃烘箱中烘干。(记为1CNPCZ-800，其中废弃烟杆和草酸铵的质量比为1：1，N掺杂水热炭与ZnCl2的质量比为1：2，焙烧温度为800℃。)
对比例13
一种改性烟杆基生物质多孔炭的制备方法，包括以下步骤：
1)3g废弃烟杆加入50ml去离子水中，搅拌均匀，再转移至100ml聚四氟乙烯内衬不锈钢反应釜中，在180℃条件下加热10h，反应后冷却至室温，用去离子水反复洗涤和抽滤，所得产物于80℃烘箱过夜干燥，得到N掺杂水热炭。
2)步骤1)所得N掺杂水热炭与ZnCl2的质量比按1：2的比例混合并研磨均匀，置于刚玉舟中。
3)步骤2)所得物在N2气氛下于管式炉中焙烧90min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为800℃，待其降至室温，取出。
4)将步骤3)所得物于1mol/L的盐酸溶液中洗涤，再用去离子水洗涤至中性，并于120℃烘箱中烘干。(记为PCZ-800，其中水热炭与ZnCl2的质量比为1：2，焙烧温度为800℃。)
性能测试：
将实施例和对比例制备烟杆基生物质多孔炭吸附剂置于石英管固定吸附床中进行活性评价，评价的参数如下：称取0.05g的活性炭，放入吸附床的石英管中，向里面通入流量为100mL/min、初始浓度为345ppm的氯苯气体，用GC测其尾气的浓度和吸附时间，从而评价活性炭对氯苯的吸附能力，测试结果如下：
表1实施例1-3和对比例8-10的烟杆基生物质多孔炭的穿透吸附量和饱和吸附量
Figure BDA0003565103980000091
表2实施例3-5和对比例10的烟杆基生物质多孔炭的穿透吸附量和饱和吸附量
Figure BDA0003565103980000092
表3实施例3和对比例10-13的烟杆基生物质多孔炭的穿透吸附量和饱和吸附量
Figure BDA0003565103980000101
表4实施例1-3和对比例8-11的比表面积和孔容
Figure BDA0003565103980000102
表5实施例3和对比例10、12、13的比表面积和孔容
Figure BDA0003565103980000103
表6实施例3、6、7和对比例10的比表面积和孔容
Figure BDA0003565103980000111
表7实施例1-3和对比例8-10的元素分析
Figure BDA0003565103980000112
1)实施例1-3和对比例8-10的烟杆基生物质多孔炭对氯苯吸附穿透曲线和吸附量如图1所示和表1所示。
由图1可知：实施例1-3的改性烟杆基生物质多级孔炭对氯苯的穿透时间(当出口浓度/入口浓度达到5％时所需的时间)和饱和时间(当出口浓度/入口浓度＝100％时所需的时间)相比于实施例8-10的烟杆基生物质多孔炭均有所提高。由表1可知，实施例3的穿透吸附量和饱和吸附量最大，分别为987mg/g和1053mg/g。而对比例10的穿透吸附量和饱和吸附量分别为650mg/g和723mg/g。实施例3对氯苯的饱和吸附量相较于对比例10提升了大约46％。
2)实施例3-5和对比例10的烟杆基生物质多孔炭对氯苯吸附穿透曲线和吸附量如图2所示和表2所示。由图2和表2可知：随着草酸铵用量的增加，其对氯苯的穿透吸附量和饱和吸附量逐渐提高，说明了草酸铵改性对烟杆基多孔炭的氯苯吸附量有着明显的提高作用。
3)实施例3和对比例10-13的烟杆基生物质多孔炭对氯苯吸附穿透曲线如图3和表3所示。由图3可知：当制备过程中不添加KOH时，烟杆基炭材料对于氯苯而言，几乎没有吸附性能，而采用ZnCl2代替KOH作为活化剂时，其对氯苯的吸附量也明显下降许多，这表明KOH活化对烟杆基多孔炭材料氯苯吸附量的重要性，而当采用ZnCl2作为活化剂时，无论是否采用草酸铵改性，制备的炭材料对氯苯的吸附量并无明显的差异，这表明草酸铵可能和KOH存在协同作用，因此导致氯苯的吸附量的增加。
4)实施例3的改性烟杆基多级孔炭材料和商业活性炭对氯苯的吸附穿透曲线如图4所示。经计算，商业活性炭对氯苯的饱和吸附量仅为316mg/g，其吸附性能远低于实施例3，因此本发明采用废弃烟杆作为碳前驱体、草酸铵作为N掺杂改性剂、KOH作为活化剂所制备的改性烟杆基生物质多级孔炭具有预料不到的技术效果。
对实施例1-3和对比例8-11进行N2吸附/脱附实验分析，从图5-6和表4可知，在不同的活化温度下，经过草酸铵改性后的烟杆基多孔炭的比表面积和孔容均有所提升。其中，在800℃的活化温度下，即实施例3的比表面积和孔容最大，分别为2875m2/g和1.70cm3/g，且根据孔径分布图可以看到，相比于对比例10来说，实施例3的2-5nm孔的数量得到了很大的提升，而氯苯的动力学分子直径约为0.78nm。因此，这些孔的增加，对于氯苯的吸附是非常有利的。同时对比例11的比表面积仅为63m2/g，这表明对于改性烟杆基多级孔炭的制备过程来说，KOH和草酸铵有着协同的作用，两者缺一不可。
实施例3和对比例10、12、13的比表面积和孔容如表5所示，发现采用KOH作为活化剂后，掺杂草酸铵后，样品的比表面积和孔容提升很大，而采用ZnCl2作为改性剂时，掺杂草酸铵前后的样品的比表面积和孔容并没有发生显著变化。因此，证明了KOH的不可替代性和KOH与草酸铵的协同作用。
实施例3、6、7和对比例10的比表面积和孔容如表6所示，发现采用尿素和碳酸铵作为N掺杂剂时，在KOH活化之下，其比表面积和孔容均大幅提高，这说明KOH和N掺杂剂均有协同作用，两者在高温下发生反应，使比表面积和孔容得到提高。
对实施例1-3和对比例8-10进行了元素分析，从表7中可以看出，随着活化温度的提升，实施例1-3和对比例8-10的N含量下降。对于实施例1和3来说，当活化温度从600℃升至800℃时，其N含量从4.77％下降到0.71％，下降了4.06％，而其比表面积提升了1985m2/g；而对于对比例8和10来说，当当活化温度从600℃升至800℃时，其N含量从2.78％下降到0.46％，下降了2.32％，其比表面积提升了984m2/g。且从六个样品的N含量可以观察到，N含量下降得越多，其比表面积增加得越多。这表明通过草酸铵改性成功将N掺杂到水热炭中，而KOH活化过程中会和N元素发生反应，从而使得多孔炭的比表面积得到提升，因此，N掺杂剂和KOH的协同作用是改性烟杆基多级孔炭比表面积提升的关键原因。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改性烟杆基生物质多级孔炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)废弃烟杆、N掺杂改性剂和水加入反应釜中，搅拌均匀，进行水热反应，所得产物水洗、抽滤后干燥，得到N掺杂水热炭；所述草酸铵和废弃烟杆质量比为0.25～1.5；
(2)将N掺杂水热炭和KOH混合均匀，在保护气氛下，于700℃-900℃煅烧1-5h，待冷却，然后洗涤至中性，干燥，即制得改性烟杆基生物质多级孔炭；所述KOH与N掺杂水热炭质量比为0.5～4。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述N掺杂改性剂和废弃烟杆质量比为0.5～1.0，所述水热反应的温度为180±20℃，时间为8-12h。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述N掺杂改性剂包括草酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵、硝酸铵、硫酸铵、尿素和氯化铵中的一种或多种。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述KOH和N掺杂水热炭的质量比为1～3；所述煅烧温度为800±50℃，时间为2±0.5h。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中废弃烟杆与水的质量体积比为1-5：50-100g/mL。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中煅烧的升温速率为5±2℃/min。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)、(2)中干燥温度为80-120℃。
8.根据权利要求1～3任意一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中洗涤是先用浓度为0.5-2mol/L的盐酸洗涤，再用水洗涤。
9.权利要求1～8任意一项所述方法制得的改性烟杆基生物质多级孔炭。
10.权利要求9所述改性烟杆基生物质多级孔炭在吸附氯苯中的应用。
CN202210300116.1A 2022-03-25 2022-03-25 一种改性烟杆基生物质多级孔炭及其制备方法和应用 Active CN114700036B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210300116.1A CN114700036B (zh) 2022-03-25 2022-03-25 一种改性烟杆基生物质多级孔炭及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210300116.1A CN114700036B (zh) 2022-03-25 2022-03-25 一种改性烟杆基生物质多级孔炭及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114700036A true CN114700036A (zh) 2022-07-05
CN114700036B CN114700036B (zh) 2023-09-29

Family

ID=82171049

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210300116.1A Active CN114700036B (zh) 2022-03-25 2022-03-25 一种改性烟杆基生物质多级孔炭及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114700036B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105921109A (zh) * 2016-06-01 2016-09-07 湖南农业大学 一种利用烟梗制备的生物炭、制备方法及其应用
WO2018001206A1 (zh) * 2016-06-27 2018-01-04 济南圣泉集团股份有限公司 一种石墨烯基多级孔电容炭及其制备方法、及电容器
CN108499532A (zh) * 2018-02-27 2018-09-07 武汉理工大学 一种双氧水预氧化废弃果壳的氮掺杂活性炭的制备方法
CN110342512A (zh) * 2019-07-12 2019-10-18 华中科技大学 一种有机固体废弃物掺氮水热及活化制备高性能多孔碳材料的方法
CN111017927A (zh) * 2020-01-08 2020-04-17 浙江大学 一种基于秸秆水热炭化的氮掺杂多孔炭制备及应用方法
CN112897525A (zh) * 2021-04-14 2021-06-04 南开大学 一种用于捕集co2的富氮炭材料的制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105921109A (zh) * 2016-06-01 2016-09-07 湖南农业大学 一种利用烟梗制备的生物炭、制备方法及其应用
WO2018001206A1 (zh) * 2016-06-27 2018-01-04 济南圣泉集团股份有限公司 一种石墨烯基多级孔电容炭及其制备方法、及电容器
CN108499532A (zh) * 2018-02-27 2018-09-07 武汉理工大学 一种双氧水预氧化废弃果壳的氮掺杂活性炭的制备方法
CN110342512A (zh) * 2019-07-12 2019-10-18 华中科技大学 一种有机固体废弃物掺氮水热及活化制备高性能多孔碳材料的方法
CN111017927A (zh) * 2020-01-08 2020-04-17 浙江大学 一种基于秸秆水热炭化的氮掺杂多孔炭制备及应用方法
CN112897525A (zh) * 2021-04-14 2021-06-04 南开大学 一种用于捕集co2的富氮炭材料的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114700036B (zh) 2023-09-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7241430B2 (en) Activated carbon for odor control and method for making same
CN110026228B (zh) 一种含氮多孔碳材料的制备及其h2s选择性催化氧化应用
CN104874347B (zh) 一种TiO2负载氮掺杂石墨烯海绵的制备方法及其应用
CN113559824B (zh) 处理染料废水用氮掺杂多孔碳材料吸附剂及其制法与应用
CN109110742B (zh) 利用锰化合物制备的中孔炭及制备方法
CN110935280A (zh) 氮掺杂介孔竹基生物炭及其应用
JP7491506B2 (ja) 活性炭
CN106861626B (zh) 一种吸附-光催化双功能材料及其制备方法与在挥发性有机气体治理工艺的应用
CN113209983B (zh) 一种廉价高效烟气脱硫脱硝催化剂及其制备方法
JPH08239279A (ja) 窒素含有分子篩活性炭、その製造方法及び用途
CN110203930B (zh) 一种活性炭及其制备方法
CN112938969A (zh) 一种造孔/掺杂一体化的活化剂制备氮硫共掺杂活性炭的方法及其应用
CN113600138B (zh) 一种氮、氧、硫共掺杂生物质炭材料及制备方法及应用
CN110201661A (zh) 一种多孔阵列结构的锰基生物炭及其制备方法和应用
CN110756045A (zh) Bn及金属改性bn材料在“存储‐氧化再生”循环脱除甲醛反应中的应用
CN114887654A (zh) 分子筛基纳米炭包覆的负载型高级氧化催化剂及制备方法
CN114408894A (zh) 一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法与应用
KR102335494B1 (ko) 유해물질 제거를 위한 금속함유 활성탄소섬유 및 그 제조방법
CN117046463A (zh) 一种改性活性炭催化剂及其制备方法
CN106390924A (zh) 一种蛭石/活性炭基水处理剂的制备方法
CN111298761B (zh) 一种改性海泡石吸附剂及其制备方法与应用
CN114700036A (zh) 一种改性烟杆基生物质多级孔炭及其制备方法和应用
CN116216717A (zh) 活性炭和低温scr脱硝催化剂的制备方法以及烟气脱硝方法
CN112619608B (zh) 一种葡萄糖基多孔碳材料的制备及应用
CN115092925A (zh) 一种高氮硫含量且微孔发达的氮硫共掺杂炭材料的制备方法及其应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant