不同制备条件对松塔基生物质炭吸附去除性能的影响【字数：9854】
摘 要本实验将松果在不同温度、不同时长下热解制备生物质炭。采用傅里叶红外光谱对松塔基生物质炭进行结构表征。将制得的生物质炭与茜红素、甲基橙、萘蓝、亚甲基蓝、甲基紫五种染料进行吸附实验，实验数据与现象表明松塔基生物质炭对亚甲基蓝的吸附效果较好。随后探究了温度、溶液pH等外界条件对吸附效果的影响，进行了光照下的吸附实验，以及萘蓝与亚甲基蓝、甲基橙与亚甲基蓝、茜红素与亚甲基蓝的混合溶液的吸附实验。结果表明热解温度对松塔基生物质炭的吸附去除性能影响较大，温度越高，其吸附去除性能越好。对于亚甲基蓝的吸附，在低温、强酸强碱条件下的吸附效果均能增加。在光照条件下，松塔基生物质炭对光降解有一定的促进作用。此外，松塔基生物质炭对于萘蓝与亚甲基蓝、甲基橙与亚甲基蓝、茜红素与亚甲基蓝的混合溶液有一定的染料分离作用。
Key words: adsorption of biomass; carbon; dye 目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 生物质炭的概述 1
1.2.1 生物质炭的制备 1
1.2.2 生物质炭的应用 2
1.2.3 生物质炭的发展前景 3
1.3 课题研究目的与意义 3
1.4 主要研究内容 3
2 实验部分 4
2.1 仪器与试剂 4
2.1.1 实验仪器 4
2.1.2 实验试剂 4
2.2 实验原理 4
2.3 实验步骤 4
2.3.1 原材料预处理 5
2.3.2 松塔基生物质炭的制备 5
2.3.3 松塔基生物质炭的结构表征 5
2.3.4 松塔基生物质炭与不同染料的吸附实验 5
2.3.5 不同染料浓度的实验 6
2.3.6 吸附动力学实验 6
2.3.7 温度对吸附效果的影响实验 6
2.3.8 光照对吸附效果的影响实验 6
2.3.9 溶液pH对吸附效果的影响实验 6
2.3.10 染料分离实验 7
3 结果与讨论 8
3.1 松塔基生物质炭结构表征 8
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
3.2 样品及用量的选择 8
3.2.1 不同热解温度的影响 8
3.2.2 不同热解时的影响 9
3.2.3不同投加量的影响 10
3.3 不同染料浓度实验分析 11
3.3.1 亚甲基蓝标准曲线 11
3.3.2 不同亚甲基蓝浓度下的吸附 11
3.3.3 吸附等温线 11
3.4 动力学实验分析 13
3.4.1 吸附动力学曲线 13
3.4.2 拟合动力学方程 13
3.5 温度的影响 14
3.6 光照的影响 15
3.7 pH的影响 16
3.8 染料分离实验 17
3.8.1 对萘蓝与亚甲基蓝混合溶液吸附作用的分析 17
3.8.2 对甲基橙与亚甲基蓝混合溶液吸附作用的分析 18
3.8.3对茜红素与亚甲基蓝混合溶液吸附作用的分析 18
4 结论 20
参考文献 21
致谢 23
1 绪论
1.1 引言
近年来，环境问题日益突出，染料废水污染引发的环境问题也越来越多。染料废水主要是在染料、生产染料中间体行业以及印染行业中产生的。由于其具有水质复杂、色度高、有机含量高、抗氧化、碱性大和化学稳定性好等特点，而成为难以处理的工业废水之一[1]。目前，中和法、氧化法、吸附法、反渗透法及混凝法等是常用的脱色方法[2]。其中吸附法是处理该类废水常用的方法之一，近些年，生物质炭较为广泛的应用，以农业废弃物为原料制备的生物质炭，对金属离子及其有机化合物具有很高的吸附能力，在染料废水处理方面有着广泛的发展空间[3]。
1.2 生物质炭的概述
生物质炭是指由富含碳的生物质在缺氧或无氧条件下经过高温裂解成的一种具有高度芳香化、富含碳素的多孔固体颗粒物质[4]。具有表面官能团丰富、碳含量高以及孔隙结构多等特性，可作为代替活性炭用于吸附有机污染物的新型吸附剂[5]。
生物炭材料的来源十分广泛，如森林残余物、农业废弃物、城市废弃物、庭院垃圾等都可以作为制备生物炭的原材料。
1.2.1 生物质炭的制备
（1）热分解法。热分解是在隔绝空气条件下生物质的高温裂解反应。制备方法简单且成本低廉，可以“以废治废”，制备过程无污染，对实验仪器设备均无损害[6]。热分解法是比较常用的制备生物质炭的方法。
热分解的影响因素主要包括热解温度、热解时间、活化剂种类、活化剂浓度与用量[7]。一般随着热解温度的升高，生物质炭的芳香性会更强，极性会减弱，稳定性会增强。不同的热解时间下，其芳香性理论上也会有所改变，保留时间会对生物炭的芳香性有一定影响。
（2）微波炭化法。微波加热是通过被加热体内部偶极分子的高频往复运动，使分子间相互碰撞产生大量摩擦热量，继而使物料内外部同时快速均匀升温[8]。微波加热具有操作简单、升温速率快、反应效率高、可选择性均匀加热等优点。微波炭化法的影响因素有微波功率、活化剂种类、活化剂浓度、浸泡时间和加热时间[8]。
（3）水热炭化法。水热炭化法是在一定温度和压强下将水热反应釜内的生物质（碳水化合物、有机分子和废弃生物质等）、催化剂和水进行加热，实现对生物质炭化的过程。水热炭化可加速生物质与溶剂之间的物理化学作用，促进离子与酸/碱的反应，分解生物质中的碳水化合物结构，最终形成生物质炭材料并析出。低温水热炭化（180~300℃）因其反应条件较温和，可通过水热炭化中生物质的脱水与聚合作用获得功能炭化材料，得到了更为广泛地应用[8]。
1.2.2 生物质炭的应用
生物质炭除了具有炭材料的吸附能力强、化学性质稳定和再生能力强等优点外，它还具有发达的孔隙结构高的比表面积稳定的芳香族结构和丰富的表面官能团[9]。这些特征使生物质炭在能源与环境领城具有广泛的应用前景。
（1）在碳燃料电池中的应用
直接碳燃料电池可以将燃料炭的化学能直接转化为电能，具有污染物排放少碳燃料能量密度高和原料来源广的优点[10]。生物质炭较高的比表面积、丰富的含氧官能团能促进电池的阳极反应，而良好地导电性能以及较低的灰度则能降低欧姆极化，延长电池使用寿命，因此生物质炭是直接碳燃料电池理想的阳极材料[11]。
（2）在生物质炭能源中的应用
生物质本身虽然可作为一种直接燃料使用，但其具有较高的含水量、较低的能量密度以及庞大的体积，这些缺点都限制了生物质燃料的直接应用[11]。而首先将生物质原料转化为生物质炭，再将生物质炭作为燃料使用，既能避免生物质燃料的弊端，还充分利用了生物质资源，并有望借此解决全球能源危机[12]。
Key words: adsorption of biomass; carbon; dye 目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 生物质炭的概述 1
1.2.1 生物质炭的制备 1
1.2.2 生物质炭的应用 2
1.2.3 生物质炭的发展前景 3
1.3 课题研究目的与意义 3
1.4 主要研究内容 3
2 实验部分 4
2.1 仪器与试剂 4
2.1.1 实验仪器 4
2.1.2 实验试剂 4
2.2 实验原理 4
2.3 实验步骤 4
2.3.1 原材料预处理 5
2.3.2 松塔基生物质炭的制备 5
2.3.3 松塔基生物质炭的结构表征 5
2.3.4 松塔基生物质炭与不同染料的吸附实验 5
2.3.5 不同染料浓度的实验 6
2.3.6 吸附动力学实验 6
2.3.7 温度对吸附效果的影响实验 6
2.3.8 光照对吸附效果的影响实验 6
2.3.9 溶液pH对吸附效果的影响实验 6
2.3.10 染料分离实验 7
3 结果与讨论 8
3.1 松塔基生物质炭结构表征 8
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
3.2 样品及用量的选择 8
3.2.1 不同热解温度的影响 8
3.2.2 不同热解时的影响 9
3.2.3不同投加量的影响 10
3.3 不同染料浓度实验分析 11
3.3.1 亚甲基蓝标准曲线 11
3.3.2 不同亚甲基蓝浓度下的吸附 11
3.3.3 吸附等温线 11
3.4 动力学实验分析 13
3.4.1 吸附动力学曲线 13
3.4.2 拟合动力学方程 13
3.5 温度的影响 14
3.6 光照的影响 15
3.7 pH的影响 16
3.8 染料分离实验 17
3.8.1 对萘蓝与亚甲基蓝混合溶液吸附作用的分析 17
3.8.2 对甲基橙与亚甲基蓝混合溶液吸附作用的分析 18
3.8.3对茜红素与亚甲基蓝混合溶液吸附作用的分析 18
4 结论 20
参考文献 21
致谢 23
1 绪论
1.1 引言
近年来，环境问题日益突出，染料废水污染引发的环境问题也越来越多。染料废水主要是在染料、生产染料中间体行业以及印染行业中产生的。由于其具有水质复杂、色度高、有机含量高、抗氧化、碱性大和化学稳定性好等特点，而成为难以处理的工业废水之一[1]。目前，中和法、氧化法、吸附法、反渗透法及混凝法等是常用的脱色方法[2]。其中吸附法是处理该类废水常用的方法之一，近些年，生物质炭较为广泛的应用，以农业废弃物为原料制备的生物质炭，对金属离子及其有机化合物具有很高的吸附能力，在染料废水处理方面有着广泛的发展空间[3]。
1.2 生物质炭的概述
生物质炭是指由富含碳的生物质在缺氧或无氧条件下经过高温裂解成的一种具有高度芳香化、富含碳素的多孔固体颗粒物质[4]。具有表面官能团丰富、碳含量高以及孔隙结构多等特性，可作为代替活性炭用于吸附有机污染物的新型吸附剂[5]。
生物炭材料的来源十分广泛，如森林残余物、农业废弃物、城市废弃物、庭院垃圾等都可以作为制备生物炭的原材料。
1.2.1 生物质炭的制备
（1）热分解法。热分解是在隔绝空气条件下生物质的高温裂解反应。制备方法简单且成本低廉，可以“以废治废”，制备过程无污染，对实验仪器设备均无损害[6]。热分解法是比较常用的制备生物质炭的方法。
热分解的影响因素主要包括热解温度、热解时间、活化剂种类、活化剂浓度与用量[7]。一般随着热解温度的升高，生物质炭的芳香性会更强，极性会减弱，稳定性会增强。不同的热解时间下，其芳香性理论上也会有所改变，保留时间会对生物炭的芳香性有一定影响。
（2）微波炭化法。微波加热是通过被加热体内部偶极分子的高频往复运动，使分子间相互碰撞产生大量摩擦热量，继而使物料内外部同时快速均匀升温[8]。微波加热具有操作简单、升温速率快、反应效率高、可选择性均匀加热等优点。微波炭化法的影响因素有微波功率、活化剂种类、活化剂浓度、浸泡时间和加热时间[8]。
（3）水热炭化法。水热炭化法是在一定温度和压强下将水热反应釜内的生物质（碳水化合物、有机分子和废弃生物质等）、催化剂和水进行加热，实现对生物质炭化的过程。水热炭化可加速生物质与溶剂之间的物理化学作用，促进离子与酸/碱的反应，分解生物质中的碳水化合物结构，最终形成生物质炭材料并析出。低温水热炭化（180~300℃）因其反应条件较温和，可通过水热炭化中生物质的脱水与聚合作用获得功能炭化材料，得到了更为广泛地应用[8]。
1.2.2 生物质炭的应用
生物质炭除了具有炭材料的吸附能力强、化学性质稳定和再生能力强等优点外，它还具有发达的孔隙结构高的比表面积稳定的芳香族结构和丰富的表面官能团[9]。这些特征使生物质炭在能源与环境领城具有广泛的应用前景。
（1）在碳燃料电池中的应用
直接碳燃料电池可以将燃料炭的化学能直接转化为电能，具有污染物排放少碳燃料能量密度高和原料来源广的优点[10]。生物质炭较高的比表面积、丰富的含氧官能团能促进电池的阳极反应，而良好地导电性能以及较低的灰度则能降低欧姆极化，延长电池使用寿命，因此生物质炭是直接碳燃料电池理想的阳极材料[11]。
（2）在生物质炭能源中的应用
生物质本身虽然可作为一种直接燃料使用，但其具有较高的含水量、较低的能量密度以及庞大的体积，这些缺点都限制了生物质燃料的直接应用[11]。而首先将生物质原料转化为生物质炭，再将生物质炭作为燃料使用，既能避免生物质燃料的弊端，还充分利用了生物质资源，并有望借此解决全球能源危机[12]。
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