【摘 要】
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广西是中国种植桉树的主要地区,其农村地区每年产生大量的废弃桉树皮给环境保护和资源利用带来了挑战和机遇。然而目前,废弃桉树皮由于数量多,占地大,大多是以丢弃或焚烧的方式处理,这不仅造成了生物质资源的浪费,也给自然环境带来了巨大的压力。桉树皮作为一种可再生、价廉易得、容易降解的生物质资源,具有较高的碳含量,是制备活性炭材料的理想原料之一。为改善废弃桉树皮资源化利用途径,降低废弃桉树皮处置对环境带来的问
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广西是中国种植桉树的主要地区,其农村地区每年产生大量的废弃桉树皮给环境保护和资源利用带来了挑战和机遇。然而目前,废弃桉树皮由于数量多,占地大,大多是以丢弃或焚烧的方式处理,这不仅造成了生物质资源的浪费,也给自然环境带来了巨大的压力。桉树皮作为一种可再生、价廉易得、容易降解的生物质资源,具有较高的碳含量,是制备活性炭材料的理想原料之一。为改善废弃桉树皮资源化利用途径,降低废弃桉树皮处置对环境带来的问题,本论文以废弃桉树皮为原料,先通过水热碳化技术,将废弃桉树皮转化为水热炭,再采用高温热解KOH活化水热炭的方法制备桉树皮基活性炭。通过热重分析、元素分析、N2吸附-脱附实验、XRD、Laman、FT-IR、酸碱滴定等表征分析方法,分析桉树皮基活性炭的组成、结构和表面化学特性;并通过甲苯静态和动态吸附实验考察桉树皮基活性炭对气态挥发性有机污染物的吸附性能和在不同条件下的吸附行为。主要研究结论有:(1)本论文首先以废弃速生桉树皮为原料,通过水热碳化技术转化为水热炭,研究了不同的水热温度(160℃~220℃)和水热时间(5h~9h)对水热炭固定碳和产率的影响,确定了最佳水热炭的制备条件为200℃,水热7h,此时水热炭的固定碳含量为37.06%,产率为71.27%。通过表征分析表明,水热碳化过程,纤维素和半纤维素大部分被降解,木质素的部分结构遭到破坏。(2)以水热炭为前驱体,高温热解KOH活化水热炭法制备桉树皮基活性炭,并采用单因素分析法,通过静态吸附实验,考察活性炭对气态甲苯的吸附性能,同时对桉树皮基活性炭的组成、结构和表面化学特性进行表征。结果表明,在升温速率为10℃·min-1,碳化活化温度为700℃,KOH浓度为3 mol·L-1,停留时间为60 min的制备条件下,对气态甲苯的吸附量最大为425.61 mg·g-1。比较直接以原材料和水热炭制备活性炭,其比表面积由329.66 m2·g-1增至508.4 m2·g-1,总孔孔容由0.1881 cm3·g-1增至0.3139 cm3·g-1.(3)经KOH活化后,活性炭表面形成多孔结构,孔径分布主要以微孔为主,由于KOH浓度和碳化活化温度的不同,其孔隙结构和表面特性存在差异。随着活化温度的升高和KOH浓度的增大,桉树皮基活性炭的比表面积和总孔孔容呈现递增的规律,且主要为无定型结构,其中,在KOH浓度为3mo L·L-1,活化温度为700℃,停留时间为60min的条件下制备得到的样品BC-3-700-60,在制备得到的所有样品中具有最大的比表面积(1242.36 m2·g-1)和总孔容(0.6939 cm3·g-1);此外,活性炭表面官能团种类受温度和KOH浓度影响变化不大,基本归于专一化,但经KOH活化后,活性炭表面酸性下降,碱性增强。(4)动态吸附实验结果表明,在30℃条件下,甲苯在不同桉树皮基活性炭上的吸附量大小与活性炭比表面积的大小和孔容相照应;随着环境温度(20℃~40℃)的升高和相对湿度(RH=0%~70%)的增大,吸附穿透曲线左移,穿透时间缩短,吸附量下降。桉树皮基活性炭对甲苯在不同条件下的吸附量,受桉树皮基活性炭的理化特性以及环境因素联合作用的影响。同时,采用Yoon-Nelson模型、Thomas模型和BDST模型对甲苯在桉树皮基活性炭上的吸附穿透曲线进行拟合,拟合效果较好,表明三种模型能较好的预测甲苯在桉树皮基活性炭上的动态吸附。
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