通過化學(xué)處理對(duì)甘蔗渣活性炭進(jìn)行硫固定及其對(duì)酸性染料吸附的影響

陳夢茹

摘 要：已知雜原子引入可提高碳的吸附性能的特定表面官能度。甘蔗渣活性炭硫固定是用硫酸進(jìn)行低溫化學(xué)處理，然后在900℃用CO2物理活化。研究了硫固定對(duì)甘蔗渣活性炭表面化學(xué)性質(zhì)的影響及其隨后的酸性染料去除（CIBA AB80）行為。使用傅里葉變換紅外光譜（FTIR），雜原子分析和碳表面酸度檢查和遵循表面化學(xué)發(fā)育。還研究了熱處理的功能組穩(wěn)定性?；钚蕴康慕Y(jié)構(gòu)性質(zhì)通過氮吸附表征。化學(xué)預(yù)處理和氣化能夠在活性炭上固定高達(dá)0.2重量%的硫。雖然通過化學(xué)處理固定的硫含量較低，但與熱固定法相比，該方法具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)?；瘜W(xué)方法沒有干擾碳的結(jié)構(gòu)發(fā)育，如在熱法中所發(fā)現(xiàn)的。此外，由這些硫含量水平產(chǎn)生的表面化學(xué)反應(yīng)足以使酸性藍(lán)色染料的攝取量增加超過700%，基于由碳的表面積歸一化的吸附容量。

關(guān)鍵詞：甘蔗渣活性炭；硫固定；酸性染料

1 引言

染料廢水不僅僅是顏色的美學(xué)污染物，而且還干擾了接收水體的光滲透，從而擾亂了生物過程。此外，染料流出物可能含有對(duì)微生物群體具有毒性作用并對(duì)哺乳動(dòng)物有毒性和/或致癌性的化學(xué)物質(zhì)。盡管包括化學(xué)氧化，生物處理，凝結(jié)絮凝和膜工藝在內(nèi)的各種方法都可用于處理染料廢水，活性炭的使用仍然廣泛使用?；钚蕴勘憩F(xiàn)出兩性性質(zhì)，使它們能吸附陽離子和陰離子染料。然而，活性炭的生產(chǎn)成本仍然很高。這引起了農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)活性炭的低成本替代材料的研究，例如杏花，竹子和李子。在這些研究中，控制結(jié)構(gòu)特性，特別是碳的表面化學(xué)性能，以滿足特殊應(yīng)用如染料吸附的需要，已經(jīng)受到相當(dāng)大的興趣。表面官能團(tuán)有望大大改變碳的表面特性和表面行為。這些組可以源于前體和生產(chǎn)過程。已經(jīng)使用含碳吸附劑中固定硫，氮，氫和其他化學(xué)基團(tuán)進(jìn)行表面改性，以提供含碳吸附劑的表面化學(xué)反應(yīng)的可控發(fā)展。盡管表面修飾的好處已有詳細(xì)記錄，但目前對(duì)其對(duì)吸附過程的影響的理解是有限的。含碳吸附劑改性以產(chǎn)生碳硫表面化合物已經(jīng)在各種碳基固體中進(jìn)行，包括炭，活性炭，炭黑和煤。這些碳 - 硫化合物通常通過在存在硫蒸汽，硫化氫，二氧化硫和二硫化碳。含硫或其他熱解硫的含碳固體也被用于生產(chǎn)硫磺表面的固體?？晌樟康牧蛲ǔＳ商假|(zhì)前體吸收，通常范圍為6至50。這些硫表面化合物表現(xiàn)出廣泛的性能，包括熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。當(dāng)在1000℃下加熱或用溶劑萃取時(shí)，硫化合物不能分解。這是除了在500-700℃之間與氫反應(yīng)，其中硫硫化合物反應(yīng)形成硫化氫。特別令人感興趣的是固定有硫化合物的吸附劑表現(xiàn)出增強(qiáng)的金屬吸收。Krishnan和Anirudhan已經(jīng)表明，通過將碳暴露于SO2和H2S，將硫基化合物引入蔗渣中，在活化過程中產(chǎn)生顯著增強(qiáng)的重金屬去除。雖然已經(jīng)證明了在活性炭中硫固定的優(yōu)點(diǎn)，但碳表面中這種高濃度硫的益處并不明確。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 活性炭的制備

甘蔗渣通過物理活化而被激活。 這涉及兩步過程：通過使用脫水劑，硫酸，甘蔗渣進(jìn)行碳化，隨后在900℃下用二氧化碳?xì)饣孕纬蓴U(kuò)展的表面積和炭的多孔結(jié)構(gòu)。 在碳化步驟中，將濃硫酸以3：4的比例（重量比）添加到甘蔗渣中。將混合物裝入Pyrex反應(yīng)器中并用空氣加熱至160℃2小時(shí)。 將所得碳冷卻并用水洗滌直至無酸，然后在110℃下干燥。在900℃的固定溫度下，使用各種濃度的二氧化碳進(jìn)行碳化炭的氣化。

2.2 激活碳的物理和化學(xué)特性

在Quantachrome Autosorb 1-CLP中，通過在77K下的N2吸附測定碳的結(jié)構(gòu)特征。碳酸值根據(jù)ASTM試驗(yàn)D3838-80（ASTMA 1996）測定?；瘜W(xué)特征還包括使用Elementar Vario EL III CHNOS元素分析儀進(jìn)行的活性蔗渣的硫分析。通過傅里葉變換紅外光譜檢測活性炭的表面官能團(tuán)。為了獲得可觀察到的吸附光譜，將活性炭研磨成非常細(xì)的粉末，然后在120℃下干燥至少24小時(shí)。用KBr（光譜級(jí)）將細(xì)小碳樣品稀釋至均勻化至約0.1wt%，并進(jìn)一步研磨。

3 結(jié)果與討論

硫化合物與硫酸的相對(duì)優(yōu)勢在于它似乎不會(huì)干擾碳的結(jié)構(gòu)發(fā)育，因?yàn)橥ㄟ^熱解法固定硫是常見的。由總表面積反映的碳的結(jié)構(gòu)發(fā)育，孔徑和孔體積相對(duì)不受硫含量增加的影響。在CC-6碳中觀察到的表面積的降低似乎與碳的廣泛燃燒觀察到的孔隙塌陷相關(guān)，而不是硫污染。由于碳固定在碳表面上而產(chǎn)生的碳?jí)A度的性質(zhì)是認(rèn)為是由硫基的路易斯堿性質(zhì)引起的。硫基是在作為基本位點(diǎn)的石墨微晶的基底平面內(nèi)提供π電子富集區(qū)的位點(diǎn)的電子對(duì)供體。在碳表面上可以存在幾種碳硫化合物，包括硫化物，硫酚，二硫鍵，硫醌，亞砜和硫代內(nèi)酯。為了優(yōu)化吸附系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以去除染料，重要的是為每個(gè)系統(tǒng)的平衡數(shù)據(jù)建立最合適的相關(guān)性。在本研究中，Langmuir和Freundlich模型已經(jīng)對(duì)兩個(gè)等溫線方程進(jìn)行了測試。

4 結(jié)語

這項(xiàng)研究表明，硫化物官能團(tuán)可以在氣化前利用生物質(zhì)硫酸處理進(jìn)行化學(xué)固定。通過該方法引入硫基能夠賦予表面官能團(tuán)的改進(jìn)，而不會(huì)干擾碳的結(jié)構(gòu)發(fā)育，如通常用熱解引入高濃度的硫所觀察到的那樣。在碳表面觀察到包括C = S，S = O和S = S和S-O-C的官能團(tuán)。這些在碳表面上引入的這些基團(tuán)即使在100℃的CO2下在900℃下氣化15小時(shí)也表現(xiàn)出熱穩(wěn)定性。通常，碳還含有促進(jìn)酸性位點(diǎn)的氧絡(luò)合物。通常，0.003?0.229的硫含量表現(xiàn)為賦予堿性或帶正電荷的碳表面。硫含量超過0.2%的影響似乎顯著提高了碳的吸附能力。在不含硫的碳上，在活性蔗渣上引入0.229%，酸性染料容量提高了700%。