Vorbereitung von biomassebasierten mesoporösen Carbon mit höheren Stickstoff-/ Sauerstoff chelatisierenden Adsorption für die 600-fache durch Mikrowelle Pre-Pyrolyse

Zusammenfassung

Hier präsentieren wir ein Protokoll, um Stickstoff/Sauerstoff Dual-dotierte mesoporösen Kohlenstoff aus Biomasse durch chemische Aktivierung in verschiedenen Pyrolyse Modi gefolgt von Modifikation zu synthetisieren. Wir zeigen, dass die Mikrowelle Pyrolyse profitiert die nachträgliche Änderungsprozess gleichzeitig mehr Stickstoff und Sauerstoff Funktionsgruppen auf die Kohlenstoff einzuführen.

Zusammenfassung

Eine umweltfreundliche Technik für die Synthese von biomassebasierten mesoporösen Aktivkohle mit hohen Stickstoff- / Sauerstoff chelatisierenden Adsorption für die 600-fache vorgeschlagen. Bagasse mit Phosphorsäure imprägniert wird als der Vorläufer genutzt. Um die Vorstufe pyrolyze, zwei separate Heizung Modi verwendet werden: Mikrowelle, Pyrolyse und herkömmlichen Elektro-Heizung-Pyrolyse. Die daraus resultierende Bagasse abgeleitet Kohlenstoff Proben werden mit Nitrifikation und Verringerung der Änderung geändert. Stickstoff (N) / Sauerstoff (O) Funktionsgruppen sind gleichzeitig an der Oberfläche der Aktivkohle, Verbesserung der Adsorption von 600-fache durch Komplexbildner und Ionenaustauscher eingeführt. Charakterisierung und Kupfer Adsorption Experimente durchgeführt, um die physikalisch-chemischen Eigenschaften der vier vorbereitete Kohlenstoff Proben zu untersuchen und festzustellen, welche Heizmethode die nachträgliche Änderung für doping-N/O funktioneller Gruppen bevorzugt. Bei dieser Technik, basierend auf der Analyse von Daten der Adsorption von Stickstoff, Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie und Batch Adsorption Experimente ist erwiesen, dass Mikrowelle pyrolysiert Kohlenstoff mehr defekt-Websites hat und daher zeitsparend effektiv Mikrowelle Pyrolyse trägt mehr N/O-Arten zu den Kohlenstoff, obwohl es eine niedrigere spezifische Oberfläche führt. Diese Technik bietet einen viel versprechender Weg zur Synthese Adsorbentien mit höheren Stickstoff- und Sauerstoffgehalt und eine höhere Aufnahmekapazität von Schwermetallionen in Sanierung Abwasseranwendungen.

Einleitung

Aktivkohle hat einzigartige Adsorption Eigenschaften, z. B. einer entwickelten poröse Struktur eine hohe spezifische Oberfläche und verschiedenen Oberflächen funktionellen Gruppen; Daher ist es im Wasser Behandlung oder Reinigung^1,2,3,4als ein Adsorbens eingesetzt. Neben ihren körperlichen Vorzügen Aktivkohle ist kostengünstig und unschädlich für die Umwelt und ihren Rohstoff (z.B. Biomasse) ist reichlich vorhanden und leicht erhalten^5,6. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Aktivkohle hängen die Grundstoffe, die in der Vorbereitung verwendet werden und über die experimentellen Bedingungen für die Aktivierung Prozess⁷.

Zwei Methoden werden in der Regel zur Aktivkohle vorbereiten: einem einstufigen und einen zweistufigen Ansatz⁸. Der Begriff One-Step Ansatz bezieht sich auf Vorstufen verkohlt und gleichzeitig während der zweistufigen Ansatz bezieht sich auf, die nacheinander aktiviert. Im Hinblick auf Energieeinsparung und Umweltschutz ist der ein-Schritt-Ansatz mehr bevorzugt für seine niedrigere Temperatur und Druck zu fordern.

Außerdem, chemische und physikalische Aktivierung werden genutzt, um die strukturellen Eigenschaften der Aktivkohle zu verbessern. Chemische Aktivierung besitzt offensichtliche Vorteile gegenüber physischen Aktivierung wegen der niedrigeren Aktivierungstemperatur, kürzere Aktivierungszeit und Kohlenstoff Mehrertrag mehr entwickelten und kontrollierbaren Porenstruktur in einem bestimmten Grad⁹. Es wurde getestet, dass chemische Aktivierung durch Imprägnieren Biomasse als Rohstoff mit H₃PO₄, ZnCl₂oder andere speziellen Chemikalien, gefolgt von Pyrolyse, die Porosität der Aktivkohle zu erhöhen, weil durchgeführt werden können Lignocellulose Bestandteile der Biomasse können leicht durch eine anschließende Wärmebehandlung durch die Dehydrierung Fähigkeit, diese Chemikalien^10,11entfernt. Daher chemische Aktivierung erheblich steigert die Bildung von Aktivkohle-Poren oder verbessert die adsorptive Leistung auf Verunreinigungen¹². Saurer Aktivator wird bevorzugt auf H₃PO₄, aufgrund seiner relativ niedriger Energiebedarf, höherer Ertrag und weniger Auswirkungen auf die Umwelt-¹³.

Mikrowelle Pyrolyse hat die Überlegenheit in Zeitersparnis, einheitliche Innenraumheizung, Energieeffizienz und selektive Erwärmung, so dass es eine alternative Heizmethode, Synthese-Aktivkohle^14,15. Verglichen mit herkömmlichen Elektroheizung, kann Mikrowelle Pyrolyse Thermo-chemische Prozesse verbessern und fördern bestimmte chemische Reaktionen¹⁶. Umfangreiche Studien haben vor kurzem fokussiert Vorbereitung Aktivkohle durch chemische Aktivierung aus Biomasse mit einstufigen Mikrowelle Pyrolyse^9,17,18,19. So ist es wesentlich informativer und umweltfreundlich zur Synthese Biomasse Aktivkohle durch Mikrowellen-gestützte H₃PO₄ Aktivierung.

Darüber hinaus um die Adsorption Affinitäten von Aktivkohle in Richtung bestimmte Schwermetallionen zu verbessern, Änderung von Heteroatom [N, O, Schwefel (S), etc.] doping in Karbonstrukturen vorgeschlagen wurde, und dies hat sich als Methode empfiehlt sich ^{20,21,22,23,24,25,26}. Fehlerhafte Seiten in oder am Rande einer Graphitschicht können durch Heteroatome Funktionsgruppen²⁷generieren ersetzt werden. Daher Nitrifikation und Reduzierung der Modifikation werden verwendet, um entstehende Kohlenstoff Proben um N/O Funktionsgruppen dopen die spielen eine entscheidende Rolle bei der Koordinierung der effizient mit Heavy Metal, Komplexbildner und Ionenaustauscher²⁸zu bilden zu ändern.

Basierend auf den Ergebnissen oben, präsentieren wir ein Protokoll, um N/O Dual-dotierte mesoporösen Kohlenstoff aus Biomasse durch chemische Aktivierung und zwei verschiedene Pyrolyse Methoden gefolgt von Modifikation zu synthetisieren. Dieses Protokoll legt fest, welche Heizmethode der anschließenden Umbau für doping der N/O funktionellen Gruppen und somit Verbesserung der Adsorption Leistung begünstigt.

Protokoll

1. Vorbereitung der Bagasse-basierte Aktivkohle

1. Vorbereitung des Vorläufers Bagasse-basierte Aktivkohle
   1. Spülen Sie die Bagasse (gewonnen aus einer Farm in Jiangsu, China) mit entionisiertem Wasser und die Proben in einem Trockenschrank bei 100 ° C für 10 h.
   2. Zerquetschen Sie die getrockneten Bagasse mit einem Schleifer und Sieb das Pulver durch ein 50-Sieb.
   3. Platz 30 g feine Bagasse Pulver in einer 15 wt % Phosphorsäure (H₃PO₄) Lösung in einem Gewichtsverhältnis von 1:1 für 24 Std. trocknen die Mischung in einem Ofen bei 105 ° C für 6 h. sammeln das resultierende Produkt als Vorläufer für Bagasse-basierte Aktivkohle (BAC).
2. Konventionelle elektrische Heizung Pyrolyse des Vorläufers
   1. 15 g des Vorläufers in ein Quarzboot und legen Sie dann das Quarzboot in ein Quarzglas Rohr eines elektrischen Ofens.
   2. Legen Sie die Aufheizgeschwindigkeit des Ofens bei 5 ° C min^-1 , die Probe verschwelen. Wenn die Temperatur 500 ° C erreicht, halten Sie die Temperatur 90 min. lang und lassen Sie die daraus resultierenden Aktivkohle-Probe abkühlen auf Raumtemperatur in Stickstoff. Sorgen Sie für einen Stickstoff 80 mL min^-1 mit einem Durchflussmesser Rotor während des gesamten Prozesses.
   3. Genannte und sammeln die elektrischen Ofen pyrolysiert Bagasse-basierte Aktivkohle (EBAC) in ein Becherglas und erhitzen Sie es in einem Ofen Vakuumtrocknung bei 105 ° C für 24 h.
3. Mikrowelle Pyrolyse des Vorläufers
   1. Setzen Sie 15 g der Vorstufe in der Mikrowelle (mit einer Frequenz von 2,45 GHz).
   2. Legen Sie die Macht der Mikrowelle 900 W, um die Probe für 22 min. pyrolyze, und gewährleisten Sie der Stickstoff-Volumenstrom bei 20 mL min^-1 mit einem Rotor-Durchflussmesser zu. Der Lufteinlass des Durchflussmessers Rotor ist mit einem Stickstoff-Zylinder mit einem Schlauch während die Steckdose mit den Lufteinlass des Mikrowellenherdes verbunden ist verbunden.
   3. Das daraus resultierende Carbon abkühlen auf Raumtemperatur in Stickstoff zu ermöglichen. Genannte und sammeln die Kohlenstoff-Probe in ein Becherglas und fügen Sie dann 300 mL Salzsäure (0,1 M). Rühren Sie die Mischung mit einem Magnetrührer (bei 200 u/min) für mehr als 12 h bei Raumtemperatur.
   4. Filtern Sie den Kohlenstoff durch Filterpapier mit Vakuumfiltration zu und spülen Sie die Probe mit entionisiertem Wasser, bis der pH-Wert des Waschwassers > 6 ist. Trocknen Sie die Mikrowelle pyrolysiert Bagasse-basierte Aktivkohle (MBAC) im Ofen Vakuumtrocknung bei 105 ° C für 24 h.

(2) Änderung des elektrischen Ofens pyrolysiert Bagasse-basierte Aktivkohle und Mikrowelle pyrolysiert Bagasse-basierte Aktivkohle

Hinweis: Die Änderung der beiden Muster wurde nach der Literatur²⁹durchgeführt.

1. Nitrifikation
   1. 50 mL konzentrierte Schwefelsäure und 50 mL konzentrierte Salpetersäure Säuren in ein Becherglas bei 0 ° C (im Eisbad) mischen.
      Achtung: Wenn die Mischung aus konzentrierter Schwefelsäure und konzentrierter Salpetersäure gemischt wird, konzentrierte Schwefelsäure langsam konzentrierter Salpetersäure hinzugefügt und mit einem Glasstab gerührt und gekühlt in der Zeit.
   2. 10 g EBAC/MBAC der gemischten Projektmappe hinzufügen. Verwenden Sie ein Magnetrührer, rühren Sie die Mischung für 120 min (bei 200 u/min).
   3. Filtern Sie die nitrifizierenden EBAC/MBAC durch Filterpapier mit Vakuumfiltration. Waschen Sie den Kohlenstoff mit entionisiertem Wasser, bis das Waschwasser pH 6 erreicht, und trocknen Sie ihn in einem Trockenschrank bei 90 ° C für 24 h.
2. Reduktive Modifikation
   1. Fügen Sie in einem drei-necked Kolben 5,05 g des entstehenden Produkts, 50 mL entionisiertem Wasser und 20 mL Ammoniak-Lösung (15 M hinzu). Rühren Sie diese Mischung für 15 min mit einem Magnetrührer (bei 200 u/min), dann fügen Sie 28 g Na₂S₂O₄, und lassen Sie die Mischung unter ständigem Rühren bei Raumtemperatur für 20 h.
   2. Passt einen Reflux-Kondensator in den Kolben und die Mischung warm bis zu 100 ° C mit einem Ölbad. Die Flasche 120 mL CH₃COOH (2,9 M) hinzu und lassen Sie die Mischung für 5 h mit einem Magnetrührer (bei 200 u/min) unter Rückfluss gerührt.
   3. Entfernen Sie das Ölbad um die Lösung auf Raumtemperatur abkühlen lassen. Filtern der Kohlenstoff-Probe und waschen Sie es mit entionisiertem Wasser, bis die Lösung pH > 6. Trocken Sie die modifizierte EBAC/MBAC bei 90 ° C und bezeichnen sie als "EBAC-N/MBAC-N".

(3) Adsorbens Charakterisierung

1. Strukturelle c haracterization — Stickstoff Adsorption/Desorption isothermen
   1. Wiegen Sie eine leere Probenröhrchen. Das Probenröhrchen eine Kohlenstoff-Probe (~0.15 g) hinzufügen.
   2. Die Probe bei 110 ° C für 5 h in einem Vakuum entgast. Wiegen Sie das Probenröhrchen, die Kohlenstoff enthalten. Berechnen Sie das Gewicht der Probe Kohlenstoff.
   3. Installieren Sie das Probenröhrchen in den Testbereich von der Oberfläche und Porosimetrie Analyzer mit flüssigem Stickstoff bei-196 ° C³⁰messen.
2. Chemische Charakterisierung — Fourier-Transformation Infrarot-Spektroskopie
   1. Überprüfen Sie die Temperatur und Hygrometer und beobachten, ob die Umgebung die Anforderungen erfüllt: die Temperatur sollte 16-25 ° C und die Relative Luftfeuchtigkeit 20 % - 50 %.
   2. Entfernen Sie das Trockenmittel und Staubschutz Muster vorrätig.
   3. Trocknen Sie die Carbon Probe und Kalium Bromid bei 110 ° C für 4 h, die Wirkung des Wassers auf dem Spektrum zu vermeiden. Mischen Sie die Kohlenstoff-Probe mit Kalium Brom und dann verwenden Sie einen Presse-Mechanismus, um die zu untersuchende Probe vorzubereiten.
   4. Setzen Sie die Probe im Testbereich und stellen Sie die Parameter der Software.
   5. Speichern Sie die Spektren und Herausnehmen der Probenmaterials. Führen Sie eine erforderliche Datenverarbeitung für die Spektren-³¹.

(4) Cu (II)-Adsorption Experimente

1. Adsorption isotherm
   1. Platzieren Sie 0,05 g des Adsorbens aller die konischen Kolben, die 25 mL einer CuSO₄ Lösung (pH 5) mit einem ausgewählten Ausgangskonzentration (10, 20, 30, 40, 50, 60, 80 und 100 mg L^-1) enthalten. Verwenden Sie eine 0,1 M Druckaufschluss₃ und 0,1 M NaOH-Lösung zur Einstellung des pH-Wertes von jedem Kupferlösung.
      Hinweis: Eine Lösung mit der ausgewählten Ausgangskonzentration wird durch eine 1 g L^-1 CuSO₄ -Lösung verdünnt das eines gelösten 3,90625 g Blue Vitriol solide mit der Vase mit einem Volumen von 1.000 mL besteht.
   2. Deckel auf den konischen Kolben passen und steckte sie in eine thermostatische Orbitalschüttler (mit einer mitreißenden Geschwindigkeit von 150 u/min) bei 5 ° C/25 ° C/45 ° C für 240 min.
   3. Verwenden Sie 0,22-μm-Membranfilter der Adsorbentien aus der Lösung zu trennen.
   4. Verwenden Sie eine Flamme Atomabsorption Spektralphotometrie um die Kupferkonzentration das Filtrat zu bestimmen.
      Hinweis: Alle Versuche wurden durchgeführt in dreifacher Ausfertigung und die Daten wurden gemittelt. Die Aufnahmekapazität für 600-fache, Q_e, wurde wie folgt berechnet:
      (1)
      Hier,
      C₀ = Kupfer Ausgangskonzentration (mg L^-1),
      C_e = Endkonzentration (mg L^-1),
      V = Volumen der Lösung und
      m = das Gewicht der einzelnen Adsorbens (g).
2. Einfluss des pH-Wertes
   1. Platzieren Sie 0,05 g des Adsorbens aller konische Flaschen, die 25 mL einer CuSO₄ Lösung (40 mg L^-1) mit einem ausgewählten anfänglichen pH (2, 3, 4, 5, 6 und 7) enthalten.
   2. Deckel auf den konischen Kolben passen und steckte sie in eine thermostatische Orbitalschüttler (mit einer mitreißenden Geschwindigkeit von 150 u/min) bei 25 ° C für 24 h, Adsorption Gleichgewichtsbedingungen zu erreichen.
   3. Wiederholen Sie Schritt 4.1.3-4.1.4.
3. Adsorption-Kinetik
   1. Statt 0,25 g des Adsorbens in ein Becherglas enthält 125 mL einer CuSO₄ Lösung (30 mg L^-1 oder 100 mg L^-1, pH 5) in einem 25 ° C-Wasserbad mit magnetischen rühren (bei 200 u/min).
   2. Verwenden Sie Pipetten 5 mL der Lösung zu zeichnen, wenn die Kontaktzeit 0,5, 1, 2,5, 5, 10, 30, 60, 120 und 180 min erreicht.
   3. Wiederholen Sie Schritt 4.1.3-4.1.4.

Ergebnisse

Stickstoff Adsorption/Desorption isothermen von vier Proben sind in Abbildung 1dargestellt. Alle Adsorption isothermen zeigen eine rasche Zunahme in niedrigen P/P-₀ -Region und diese isothermen gehören zum Typ IV (IUPAC-Klassifikation) demonstrieren ihre Porenstruktur, die Mikroporen und dominante Mesopores³²besteht.

Die Oberfläche physikalischen Parameter für a...

Diskussion

In diesem Protokoll ist einer der kritischen Schritte die erfolgreiche Vorbereitung mesoporösen Kohlenstoff mit besseren physikalisch-chemischen Eigenschaften der ein-Schritt-Ansatz, wo optimale Versuchsbedingungen müssen ermittelt werden. Also, in einer früheren Studie²⁸, wir haben orthogonalen Array Mikrowelle Pyrolyse Experimente durchgeführt Berücksichtigung der Auswirkungen des Verhältnisses Imprägnierung der Bagasse und Phosphorsäure, Pyrolyse Zeit, Mikrowelle macht und Trocknungszei...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
All chemicals and reagents (phosphoric acid, etc.)	Nanjing Chemical Reagent Co., Ltd		Analytical grade
Electric furnace	Luoyang Bolaimaite Experiment Electric Furnace Co., Ltd
Microwave oven	Nanjing Yudian Automation Technology Co., Ltd		2.45 GHz frequency
Surface-area and porosimetry analyzer	Beijing Gold APP Instrument Co., Ltd		Vc-Sorb 2800TP
Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer	Nicolet		6700
Flame atomic absorption spectrophotometry	Beijing Purkinje General Instrument Corporation		A3
Element Analyzer	Germany Heraeus Co.		CHN-O-RAPID