הכנת ביומסה מבוססי פחמן Mesoporous עם חנקן גבוה יותר-/ ספיחה chelating חמצן עבור Cu(II) באמצעות פירוליזה קדם מיקרוגל

Summary

כאן, אנו מציגים שיטה למיזוג חנקן/חמצן פחמן mesoporous כפול-מסטול מ ביומסה החשפות כימי במצבים שונים פירוליזה ואחריו השינוי. נדגים פירוליזה מיקרוגל יתרונות תהליך השינוי עוקבות להכיר בו זמנית יותר חנקן וחמצן קבוצות פונקציונליות על הפחמן.

Abstract

טכניקת ידידותיים לסביבה עבור סינתזה mesoporous מבוססי ביומסה הופעל פחמן עם חנקן גבוה- / ספיחה chelating חמצן עבור Cu(II) מוצע. פסולת ספוג בחומצה זרחתית מנוצל כמבשר. כדי pyrolyze מבשר, משמשים שני מצבי חימום נפרדים: מיקרוגל פירוליזה ולא קונבנציונאלי פירוליזה חימום חשמלי. הדגימות פחמן נגזר פסולת הנוצרת עוברות שינוי בשינוי ניטריפיקציה וצמצום. חנקן (N) / קבוצות פונקציונליות חמצן (O) מוצגים בו זמנית על פני השטח של פחם פעיל, שיפור שלה ספיחה של Cu(II) על ידי complexing ויונים. אפיון וניסויים ספיחה נחושת מבוצעות כדי לחקור את המאפיינים physicochemical של הארבעה פחמן מוכן לקבוע איזו שיטת חימום טובות של השינוי עוקבות עבור סימום של קבוצות פונקציונליות N/O. בטכניקה זו, המבוססת על ניתוח נתונים של חנקן ספיחה, ספקטרוסקופיית פורייה אצווה ספיחה ניסויים, הוכח כי pyrolyzed מיקרוגל פחמן יש עוד אתרים פגם ו, לכן, מיקרוגל יעילים לחיסכון בזמן פירוליזה תורם יותר מינים N/O לפחמן, למרות זה מוביל סגולי נמוך יותר. טכניקה זו מציעה מסלול מבטיח סינתזה adsorbents עם חנקן גבוה, תכולת החמצן, קיבולת ספיחה גבוהה יותר של יונים של מתכות כבדות ביישומים תיקונים בשפכים.

Introduction

פחם פעיל יש מאפיינים ייחודיים ספיחה, כגון מבנה נקבובי מפותחת סגולי גבוה, קבוצות פונקציונליות משטח שונים; לכן, זה עובד כמו adsorbent מים טיפול או טיהור^1,2,3,4. מלבד היתרונות הפיזיים שלה, פחם פעיל הוא חסכוני ולא מזיק לסביבה, חומר הגלם שלו (למשל, ביומסה) הוא שופע, רכש בקלות^5,6. המאפיינים physicochemical של פחם פעיל תלויה את סימנים מקדימים הנמצאים בשימוש בעת הכנתה על תנאי הניסוי של תהליך ההפעלה⁷.

שתי שיטות משמשים בדרך כלל כדי להכין פחם פעיל: צעד אחד, שני שלבים של הגישה⁸. הגישה של צעד אחד המונח מתייחס מבשרי להיות מפוחם, מופעל בעת ובעונה אחת, בעוד הגישה שני שלבים מתייחס זה ברצף. על רקע שימור אנרגיה ושמירה על איכות הסביבה, הגישה בשלב אחד היא מועדפת שלו לטמפרטורה נמוכה, לחץ בדרישה.

. חוץ מזה, הפעלת כימיים ופיזיים מנוצלים כדי לשפר את המאפיינים רקמתי של פחם פעיל. הפעלת כימי בעל לכאורה יתרונות הפעלה גופנית בגלל הטמפרטורה ההפעלה התחתונה שלו, זמן הפעלה קצר, תשואה גבוהה יותר פחמן ומבנה יותר מפותח, לשליטה נקבובית ב מסוימים דרגה⁹. זה נבדק כי הפעלת כימי יכול להתבצע על ידי ביומסה לביצית משמש זינה עם H₃פו₄, ZnCl₂או כימיקלים מסוימים אחרים, ואחריו פירוליזה להגדיל את נקבוביות פחמן activated, כי lignocellulosic רכיבים של ביומסה ניתן להסיר בקלות באמצעות טיפול חימום עוקבות, בשל היכולת דהידרוגנציה של אלה^10,כימיקלים¹¹. לפיכך, של כימיים מאוד משפר את היווצרות הנקבוביות של פחם פעיל או משפר את הביצועים adsorptive מעולה מזהמים¹². Activator חומצי עדיף H₃פו₄, בשל הביקוש אנרגיה נמוכה יותר יחסית שלה, תשואה גבוהה יותר, ופחות את ההשפעה על הסביבה¹³.

מיקרוגל פירוליזה יש את עליונות חיסכון בזמן, חימום פנים אחיד, יעילות האנרגיה, חימום סלקטיבי, שהופך אותו בשיטת חימום חלופיים באמצעות סינתזה של פחמן^14,15. לעומת קונבנציונאלי חימום חשמלי, מיקרוגל פירוליזה ניתן לשפר תהליכים thermo-כימית, לקדם תגובות כימיות מסוימות¹⁶. לאחרונה, מחקרים מקיפים התמקדו הכנת פחם פעיל על-ידי הפעלת כימי מ ביומסה באמצעות צעד אחד מיקרוגל פירוליזה^9,17,18,19. . אז, זה במידה ניכרת אינפורמטיבי וידידותיים לסביבה כדי סינתזה מבוססי ביומסה פחם פעיל על-ידי הפעלת_{4 3}פו H בסיוע מיקרוגל.

בנוסף, כדי לשפר את הזיקות ספיחה של פחם פעיל לקראת יונים ספציפיים של מטאל, הוצע שינוי על ידי heteroatom [N, O, גופרית (S), וכו '] אילוח למבנים פחמן, זה הוכיח את עצמו להיות שיטה רצויה ^{20,21,22,23,24,25,26}. אתרים פגומים או בקצוות של שכבה גרפיט יכול להיות מוחלף על ידי heteroatoms כדי ליצור קבוצות פונקציונליות²⁷. לפיכך, השינוי ניטריפיקציה וצמצום משמשים לשינוי פחמן תוצאות דגימות סמים N/O קבוצות פונקציונליות אשר לשחק תפקיד מכריע ביעילות בתיאום עם מתכות כבדות כדי ליצור complexing ויונים²⁸.

על סמך הממצאים הנ ל, אנו מציגים את שיטה למיזוג N/O פחמן mesoporous כפול-מסטול מ ביומסה על-ידי הפעלת כימי, שתי שיטות שונות פירוליזה ואחריו השינוי. פרוטוקול זה גם קובע באיזו שיטת חימום טובות של השינוי שהתפתח עבור סימום של קבוצות פונקציונליות N/O ו, לכן, שיפור הביצועים ספיחה.

Protocol

1. הכנת מבוססי פסולת פחם פעיל

1. הכנת מבשר על-מבוססות פסולת פחם פעיל
   1. לשטוף את פסולת (המתקבל חווה ג'יאנגסו, סין) עם יונים מים ולשים את הדגימות תנור ייבוש ב 100 מעלות צלזיוס במשך 10 h.
   2. למחוץ את פסולת מיובשים עם מטחנה, ניפוי האבקה דרך מסננת 50-מש.
   3. מקום 30 גרם של אבקת פסולת בסדר גמור ל wt 15% פתרון חומצה זרחתית (H₃פו₄) ביחס 1:1 משקל עבור ה 24 יבש את התערובת בתנור ב 105 ° C עבור 6-אייץ לאסוף את המוצר הסופי כמבשר על-מבוססות פסולת פחם פעיל (BAC).
2. פירוליזה חימום חשמלי המקובלת למבשר
   1. מכניסים 15 גר' מבשר סירה קוורץ ולאחר מכן הוסף את הסירה קוורץ לתוך שפופרת זכוכית קוורץ של תנור חשמלי.
   2. לקבוע את קצב חימום של הכבשן 5 ° C דקות^-1 כדי carbonize המדגם. כאשר הטמפרטורה מגיעה 500 ° C, לשמור על הטמפרטורה במשך 90 דקות ולאפשר אז המדגם הופעל פחמן וכתוצאה מכך להתקרר לטמפרטורת החדר בחנקן. להבטיח זרימה חנקן של מינימום 80 מ ל^-1 עם זרימה הרוטור במהלך התהליך הכולל.
   3. Triturate לאסוף את חשמל-תנור-pyrolyzed מבוססי פסולת פחם פעיל (EBAC) בתוך, ואז מחממים אותו בתנור ייבוש ואקום ב 105 מעלות צלזיוס במשך 24 שעות ביממה.
3. פירוליזה מיקרוגל למבשר
   1. לשים 15 גר' מבשר בתנור מיקרוגל (עם תדירות 2.45 GHz).
   2. להגדיר את הכוח של תנור מיקרוגל 900 W כדי pyrolyze את הדגימה במשך 22 דקות ולהבטיח את קצב הזרימה חנקן 20 mL דקות^-1 עם זרימה הרוטור. כניסת האוויר של זרימה הרוטור מחובר גליל חנקן באמצעות צינור, בעוד לשקע מחובר לים אוויר של תנור מיקרוגל.
   3. לאפשר את הפחמן הנובעת להתקרר לטמפרטורת החדר בחנקן. Triturate, איסוף הדגימה פחמן בתוך ולאחר מכן להוסיף 300 מ ל חומצה הידרוכלורית (0.1 M). מערבבים את התערובת בעזרת של פגים (ב 200 סל ד) עבור יותר מ 12 שעות בטמפרטורת החדר.
   4. לסנן את הפחמן באמצעות נייר סינון עם סינון ואקום ולשטוף את הדגימה עם מים יונים עד ערך ה-pH של המים שטיפת > 6. יבש את pyrolyzed-מיקרוגל מבוססי פסולת פחם פעיל (MBAC) בתנור ייבוש ואקום ב 105 מעלות צלזיוס במשך 24 שעות ביממה.

2. שינוי של חשמל-תנור-pyrolyzed פחם פעיל מבוסס-פסולת, pyrolyzed מיקרוגל פחם פעיל מבוסס-פסולת

הערה: השינוי של שתי הדגימות נערך על פי הספרות²⁹.

1. ניטריפיקציה
   1. מערבבים 50 מ של מרוכז גופרתית ו- 50 מ של חומצות חנקתית מרוכזת בתוך ב-0 מעלות צלזיוס (באמבט קרח).
      זהירות: כאשר התערובת של חומצה גופרתית מרוכזת וחומצה חנקתית מרוכזת הוא מעורב, חומצה גופרתית מרוכזת צריך להיות לאט להוסיף חומצה חנקתית מרוכזת מעורבב עם מוט זכוכית, מקורר בזמן.
   2. להוסיף 10 גרם של EBAC/MBAC הפתרון מעורבת. השתמש של פגים כדי לבחוש את התערובת במשך 120 דקות (ב 200 סל ד).
   3. לסנן את EBAC/MBAC nitrified על-ידי מסנן נייר עם סינון ואקום. לשטוף את הפחמן במים יונים עד המים שטיפת מגיע ה-pH 6 ולאחר מכן לייבש אותו בתנור ייבוש ב 90 מעלות צלזיוס במשך 24 שעות ביממה.
2. שינוי מוטעה
   1. בקבוקון צוואר שלוש, הוסף את g 5.05 של המוצר הסופי, 50 מ של מים יונים ו 20 מ של אמוניה פתרון (15 מ'). מערבבים את התערובת למשך 15 דקות עם פגים (ב 200 סל ד), ולאחר מכן להוסיף 28 גרם של נה₂S₂O₄, להשאיר את התערובת זע בטמפרטורת החדר במשך 20 h.
   2. מתאים הקבל ריפלוקס הבקבוק, לחמם את התערובת עד 100 ° C בעזרת אמבט שמן. 120 מ של CH₃COOH (2.9 מ') להוסיף הבקבוקון ולאפשר את התערובת ולערבב במשך 5 שעות עם פגים (ב 200 סל ד) תחת ריפלוקס.
   3. הסר את האמבטיה שמן כדי לאפשר את הפתרון להתקרר לטמפרטורת החדר. לסנן את הדגימה פחמן ולשטוף אותו עם מים יונים עד פתרון ה-pH > 6. יבש את MBAC/EBAC ששונה ב 90 מעלות צלזיוס, מציינות את זה בתור "EBAC-N/MBAC-N".

3. אפיון adsorbent

1. מבנית c haracterization — חנקן ספיחה/desorption isotherms
   1. שוקלים של שפופרת ריק לדוגמה. להוסיף דגימה פחמן (~0.15 גרם) הצינור הדגימה.
   2. דגה המדגם ב 110 מעלות צלזיוס במשך 5 שעות בוואקום. שוקלים את הצינור מדגם המכיל פחמן. לחשב את המשקל של המדגם פחמן.
   3. התקן את הצינור מדגם לאזור המבחן של מנתח פני-שטח, porosimetry בעזרת חנקן נוזלי. למדוד את זה ב-196 מעלות צלזיוס³⁰.
2. אפיון כימי — טרנספורם פורייה ספקטרוסקופית אינפרא אדום
   1. בדוק טמפרטורה, מד לחות ולבחון אם הסביבה עומד בדרישות: הטמפרטורה צריכה להיות 16-25 ° C ולחות יחסית של 20% - 50%.
   2. הסר את סופג לחות, אבק כיסוי המחסן לדוגמה.
   3. יבש את הפחמן ולדגום אשלגן ברומיד ב 110 מעלות צלזיוס במשך 4 שעות למנוע את השפעת המים על הספקטרום. מערבבים את הדגימה פחמן עם אשלגן ברומיד ולאחר מכן השתמש מנגנון התקשורת כדי להכין את הדגימה הבדיקה.
   4. שים המדגם באזור הבדיקה וקבעו את הפרמטרים של התוכנה.
   5. להציל את המצלמה, להוציא את הדגימה. ביצוע של עיבוד נתונים הדרושים עבור ספקטרה³¹.

4. Cu (II)-ניסויים ספיחה

1. ספיחה איזותרמה
   1. הצב 0.05 גרם adsorbent בכל אחת המבחנות חרוט, המכילים 25 מ של פתרון₄ CuSO (pH 5) עם ריכוז הראשונית שנבחרה (10, 20, 30, 40, 50, 60, 80 ו- 100 מ"ג L^-1). השתמש 0.1 M עב ס₃ ופתרון NaOH 0.1 M כדי להתאים את ה-pH של כל פתרון נחושת.
      הערה: פתרון עם הריכוז ההתחלתי שנבחר הוא מדולל על ידי 1 g L^-1 CuSO₄ פתרון, אשר מורכב של g 3.90625 המומסים של חומצה גופרתית כחול מוצק באמצעות האגרטל עם נפח 1,000 מ.
   2. מתאים המכסים על המבחנות חרוט ולשים אותם ב שייקר מסלולית ברים, מערכות אינסטלציה (עם קצב מלהיב של 150 סל ד)-5 ° C/25 ° C/45 ° C 240 דקות.
   3. השתמש במסננים ממברנה μm 0.22 להפריד את adsorbents הפתרון.
   4. השתמש ספקטרופוטומטר בליעה אטומית על להבה כדי לקבוע ריכוז פילטרט של נחושת.
      הערה: כל הניסויים בוצעו שהפקידים, הנתונים היו בממוצע. יכולת ספיחה Cu(II), q_e, מחושב כדלקמן:
      (1)
      כאן,
      ג₀ = ריכוז נחושת הראשונית (מ ג L^-1).
      C_e = הריכוז הסופי (מ ג L^-1).
      V = פתרון האחסון, ו
      m = המשקל של כל adsorbent (g).
2. השפעת ה-pH
   1. הצב 0.05 גרם adsorbent בכל אחת המבחנות חרוט, המכילים 25 מ של פתרון₄ CuSO (40 מ"ג L^-1) עם pH ההתחלתית שנבחרו (2, 3, 4, 5, 6, ו-7).
   2. מתאים המכסים על המבחנות חרוט ולשים אותם ב שייקר מסלולית ברים, מערכות אינסטלציה (עם קצב מלהיב של 150 סל ד) 25 ° c עבור 24 שעות להגיע ספיחה שיווי משקל התנאים.
   3. חזור על שלב 4.1.3-4.1.4.
3. קינטיקה ספיחה
   1. המקום 0.25 g של adsorbent בתוך אשר מכיל 125 מ של CuSO₄ פתרון (30 מ"ג L^-1 או 100 מ ג L^-1, ה-pH 5) בתוך אמבט מים 25 ° C עם מגנטי זע (ב 200 סל ד).
   2. השתמש פיפטות כדי לצייר מ של הפתרון כשאחוז הזמן קשר 0.5, 1, 2.5, 5, 10, 30, 60, 120 ו- 180 דקות.
   3. חזור על שלב 4.1.3-4.1.4.

תוצאות

חנקן isotherms ספיחה/desorption של הארבעה מוצגים באיור1. כל איזוטרמות להראות עלייה מהירה באזור₀ P/P נמוך, isotherms אלה שייכים לסוג הרביעי (סיווג סיסטמטי) הממחיש את המבנה נקבובית שלהם זה מורכב micropores mesopores דומיננטי³².

פרמ?...

Discussion

פרוטוקול זה, אחד הצעדים הקריטיים הוא הכנה מוצלחת של mesoporous פחמן עם יותר physicochemical סגולות לפי הגישה בשלב אחד, שבו תנאים אופטימליים ניסיוני צריך להיקבע. אז, הקודם המחקר²⁸, ביצענו מערך אורתוגונלית מיקרוגל פירוליזה ניסויים, שוקל את השפעת היחס הספגה של פסולת, חומצה זרחתית, פירוליזה, תנ...

Materials

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