凹凸棒石基材料的制备及其吸附性能研究

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凹凸棒石(attapulgite,ATP)是一种储备量大、开采容易的天然资源,具有比表面积高、离子交换容量多、表面官能团丰富等特点,在吸附净化方面具有较高的应用潜力。卷烟烟气中含有大量香味成分和一定量的有害物质,降焦减害是烟草行业需解决的问题之一,本文以ATP为原料制备了多种凹凸棒石基材料,将其应用到卷烟滤嘴棒中,进行多种有害成分的吸附及吸附性能分析,并挑选出苯酚作为水溶液中的考察物,详细讨论了其对苯酚的吸附机理。主要研究内容如下:(1)以热改性ATP制备TATP材料,研究发现比表面积会随着焙烧温度的升高微微增大,平均孔径逐渐增大,但当焙烧温度超过500℃时,会发生孔道坍塌,比表面积下降;以盐酸改性ATP制备MATP材料,研究发现盐酸浓度对其影响最大,比表面积随着盐酸浓度的增加先增加后减小,比表面积最大可达397.29m~2/g,平均孔径为7.2 nm;以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)改性ATP制备CATP材料,研究发现随着CTAB浓度增加比表面积有所下降,但平均孔径保持在14 nm以上;以CTAB和四丙基氢氧化铵(TPAOH)为双模板剂,酸活化ATP为前驱体,在微波条件下水热晶化合成了多级孔分子筛(HZ)材料,通过XRD、FTIR、XPS、SEM及N2物理吸附对HZ的结构进行表征,证明了HZ材料骨架结构与ZSM-5和多级孔ZSM-11分子筛的骨架结构相似。当TPAOH/CTAB摩尔比为75∶1时制备的HZ-3比表面积为367.61 m~2/g,TPAOH/CTAB摩尔比进一步减少时,产物由ZSM-5型分子筛转化为多级孔ZSM-11型分子筛。(2)将凹凸棒石基材料用于卷烟滤嘴吸附剂,研究其对卷烟烟气中7种主要有害成分的降低率,与其他吸附剂对比降低率处于中上水平。结果表明,TATP-9对卷烟烟气中HCN、巴豆醛的吸附效果较好,降低率分别为:42.56%、36.41%;MATP-2对HCN、NH3、苯酚的降低率为:32.14%、55.12%、49.21%。CATP-4对HCN、苯酚、CO降低率为:50.22%、57.24%、和51.84%。HZ-3对苯酚的降低率显著可达到76.59%。(3)研究凹凸棒石基材料制备条件对吸附苯酚的影响发现,300℃下焙烧3 h时制备的TATP-9对苯酚去除率为51.3%;盐酸浓度为2 mol/L、反应24 h、100℃条件下制备的MATP-2对苯酚的去除率为57.1%;在m(CTAB)∶m(ATP)为2∶3、反应4 h、100℃时制备的CATP-4对苯酚的去除率为57.2%;n(TPAOH)∶n(CTAB)为75∶1、微波反应4 h、140℃时制备的HZ-3吸附剂对苯酚的去除率达到85.8%。考察吸附条件对凹凸棒石基材料吸附苯酚发现:吸附时间在2 h时到达吸附平衡,升高温度不利于吸附,酸性条件有利于吸附。四种凹凸棒石基吸附材料在使用三次情况下仍对苯酚有较好去除率,可以实现循环利用。(4)凹凸棒石基材料吸附苯酚前期能够快速进行,后期缓慢进行,受物理吸附和化学吸附共同作用,吸附过程为吸热熵增的自发过程,发生吸附时表面扩散起主导作用,吸附过程符合Langmuir等温吸附模型和准二级吸附动力学方程。
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