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要約

ここでは、異なる分解モード変更後に薬品賦活法によるバイオマスからデュアル ドープ メソポーラス炭素窒素/酸素を合成するプロトコルを提案します。そのマイクロ波熱分解炭素より窒素と酸素官能基を同時に紹介するその後の変更プロセスの利点を紹介します。

要約

バイオマスを用いたメソポーラスシリカを合成する環境にやさしい技術と高窒素 - 活性炭/酸素キレート吸着 cu (ii) を提案します。リン酸を含浸させたバガスは、前駆体として利用されています。前駆体を pyrolyze、2 つの別個の加熱モードを使用: マイクロ波熱分解と従来の電気加熱分解します。結果として得られるバガス由来の炭素サンプルは、硝化と還元変更で変更されます。窒素 (N) ・酸素 (O) の機能グループは、cu (ii) の錯化剤およびイオン交換による吸着を強化、活性炭の表面に同時に導入します。4 つの準備された炭素サンプルの物理化学的性質を調査し、加熱方法を支持する N/O 官能のドーピングの後の変更を決定する特性と銅の吸着実験を行ったこの手法では、窒素吸着、フーリエ変換赤外分光法、およびバッチ吸着実験データの解析に基づくマイクロ波熱分解炭素がより多くの欠陥サイトと、したがって、時間節約効果マイクロ波よね熱分解は、低比表面積につながるそれがカーボン、N/O 種以上を貢献しています。この手法より高い窒素と酸素含有量と重金属排水修復アプリケーションで高い吸着容量合成吸着剤への有望なルートを提供しています。

概要

活性炭が開発した多孔質構造、高表面積様々 な表面機能グループなどのユニークな吸着特性したがって、吸着剤として水治療や浄化1,2,3,4で採用されています。物理的な利点があります, 以外にも活性炭はコスト効率の高い、環境に無害である、(例えばバイオマス) 原料が豊富で簡単に得られる5,6。活性炭の物性は、その準備で使用される前駆物質と活性化プロセス7の実験条件によって異なります。

活性炭を準備する 2 つの方法が用いられます: ワンステップと 2 段階アプローチ8。用語 1 段階のアプローチは、炭化され、2 段階のアプローチは、順番を参照しながら同時にアクティブの前駆物質を指します。省エネや環境保護の観点からワンステップ アプローチは、低い温度と圧力を要求より優れています。

その上、化学と物理の活性化は、活性炭のテクスチャー特性を改善するために活用されます。化学活性化は、その下の活性化温度、活性化時間の短縮、炭素収とある特定の程度の9より開発され、制御可能な空隙構造のための物理的なアクティブ化の明白な利点を所有しています。H3PO4ZnCl2、またはので、活性炭の気孔率を増加する熱分解に続いて、他の特定の化学物質の原料として使用される含浸バイオマス化学活性化を実行できることがテストされていますこれら化学物質10,11の脱水素能力によりの後の加熱処理によるリグノ セルロース系バイオマスを簡単に削除できます。したがって、化学的活性化は大きく活性炭の細孔の形成を強化または汚染物質12吸着性能を向上します。酸性活性化 H3PO4、その比較的低いエネルギー需要より高い収穫のため、以下の13の環境への影響をお勧めします。

マイクロ波熱分解合成活性炭14,15に代替加熱して、選択加熱、エネルギー効率、均一な内部加熱時間の節約で優位性があります。マイクロ波熱分解は従来の電気暖房と比べると、熱化学プロセスを高め、特定の化学反応の16を促進できます。最近では、広範な研究は、ワンステップ マイクロ波熱分解9,17,18,19を用いたバイオマスから薬品賦活法による活性炭の準備に焦点を当てています。だから、かなり有益であり、環境に優しい合成マイクロ波 H3PO4活性化による活性炭のバイオマスをベースに、です。

さらに、特定の重金属に対する活性炭の吸着親和性を向上させるため、 [N、O、硫黄 (S) 等]はヘテロ原子が炭素構造にドーピングすることによって変更を提案されている、これはの望ましい方法であると証明されています20,21,22,23,24,25,26。欠陥サイトでまたはグラファイト層の端は、官能27を生成するヘテロ原子で置き換えることができます。したがって、硝化と還元の変更を使用して効率的に重金属錯化剤およびイオン交換28を形成するとの調整に重要な役割を果たす N/O 官能をドープする結果として生じる炭素サンプルを変更します。

上記の調査結果に基づいて、薬品賦活法によるバイオマスからの N/O デュアル ドープ メソポーラス カーボンと 2 つの異なる熱分解方法変更によるフォロー アップを合成するためのプロトコルを提案する.このプロトコルでは、N/O の機能グループのドーピングとは、吸着性能を高めその後の修正を支持する加熱方法も決定します。

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プロトコル

1. バガスを用いた活性炭の調製

  1. バガスを用いた活性炭の前駆体の調製
    1. バガス (中国江蘇省でファームから取得) を脱イオン水でリンスし、10 h の 100 ° C で乾燥炉内にサンプルを置きます。
    2. グラインダーと乾燥バガスを粉砕し、50 メッシュのふるいを通して粉をふるい。
    3. 6 h バガス ベース活性炭 (BAC) の前駆体として得られた生成物を収集するため、24 時間の 1:1 の重量比 15 wt % リン酸 (H3PO4) ソリューションに罰金バガス粉末の場所 30 g は 105 ° C のオーブンで混合物を乾燥します。
  2. 前駆体の従来の電気加熱分解
    1. 石英ボートに前駆体の 15 g を入れ、電気炉の石英ガラス管に石英ボートを挿入します。
    2. 5 ° C 分-1試料を炭化炉の加熱速度を設定します。温度 500 ° C に達すると、90 分間温度を維持し、窒素の温度に冷却する結果活性炭サンプルします。全体のプロセス中にローター流量計で 80 mL 分-1の窒素フローを確保します。
    3. カップ刻んだと電気炉熱分解バガス ベース活性炭 (EBAC) ビーカー内を収集し、105 ° C 24 時間で真空乾燥オーブンでそれを熱します。
  3. 前駆体のマイクロ波熱分解
    1. 電子レンジ (2.45 ghz) の前駆体の 15 g を置きます。
    2. 電子レンジの電力を 900 W、22 分間サンプルを pyrolyze に設定し、20 mL 分-1ローター流量計で窒素の流量を確保します。ローター流量計の空気吸入口は、コンセントは、電子レンジの空気吸入口に接続されているホースを使用して窒素ボンベに接続されます。
    3. 結果として生じる炭素窒素中で室温に冷却するを許可します。カップ刻んだとビーカーに炭素のサンプルを収集し、塩酸酸性溶液 (0.1 M) の 300 mL を追加します。室温で 12 時間以上 (200 rpm) で磁性攪拌器を使用して混合物をかき混ぜなさい。
    4. 真空ろ過フィルター紙による炭素をフィルターし、洗浄水の pH 値は > 6 までを脱イオン水サンプルをすすいでください。マイクロ波熱分解したバガス ベース活性炭 (MBAC) 24 h 105 ° C で真空乾燥オーブンで乾燥します。

2. 電気炉熱分解バガス ベース活性炭・活性炭をバガスを用いたマイクロ波熱分解の変更

注: 2 つのサンプルの変更も文学29に従って行われました。

  1. 硝化
    1. 50 mL の濃硫酸と濃硝酸 (氷水) で 0 の ° C でビーカーに 50 mL を混ぜます。
      注意: 濃硫酸と濃硝酸の混合物を混合すると、濃硫酸ゆっくりと濃硝酸に追加、ガラス棒で攪拌、冷却時間の。
    2. EBAC/MBAC の 10 g を混合ソリューションに追加します。磁性攪拌器を使用して、(200 rpm) で 120 分の混合物を攪拌します。
    3. 真空ろ過フィルター紙による硝化 EBAC/MBAC をフィルターします。洗浄水 6、pH に達するまで脱イオン水でカーボンを洗浄し、24 h 90 ° C で乾燥炉に入れて乾かします。
  2. 還元的変更
    1. 3つ口フラスコに結果として得られる製品の 5.05 g、脱イオン水 50 mL と 20 mL のアンモニア溶液 (15 M) を追加します。磁気攪拌 (200 rpm) で 15 分のこの混合物を攪拌し、Na2S2O4の 28 グラムを追加 20 時間室温で攪拌混合物を残します。
    2. フラスコに還流冷却器をフィットし、混合物を温かく、油浴を使用して 100 の ° C。フラスコに CH3COOH (2.9 M) の 120 mL を追加し、5 時間還流下 (200 rpm) でマグネチックスターラーで撹拌混合物を許可します。
    3. 部屋の温度に冷却するソリューションを許可する油浴を削除します。炭素サンプルのフィルターし、ソリューション pH > 6 まで脱イオン水で洗浄します。90 ° C で変更された EBAC/MBAC を乾燥し、「EBAC-N/MBAC N」としてそれを示します。

3. 吸着特性評価

  1. 構造characterization-窒素吸着/脱離等温線
    1. 空のサンプル チューブの重量を量る。サンプル チューブにカーボン サンプル (~0.15 g) を追加します。
    2. 真空中で 5 h 110 ° C でサンプルをドガします。炭素を含むサンプル チューブの重量を量る。炭素サンプルの重量を計算します。
    3. -196 ° C30で測定する液体窒素を使用して表面積やポロシ メーター アナライザーのテスト領域にサンプル チューブを取り付けます。
  2. 化学的特性-フーリエ変換赤外分光法
    1. 温度と湿度をチェックし、環境が要件を満たしているかどうかを確認: 温度は、16-25 ° C、相対湿度 20 ~ 50% をする必要があります。
    2. サンプル倉庫に乾燥剤と防塵カバーを取り外します。
    3. ドライ カーボン サンプルとスペクトルに及ぼす水を避けるために 4 h 110 ° C で臭化カリウム。炭素のサンプルを混ぜて臭化カリウムとプレス機構を使用して、テスト サンプルを準備します。
    4. サンプルを入れてテスト領域とソフトウェアのパラメーターを設定します。
    5. スペクトルの保存サンプルを取り出してください。スペクトル31に対して必要なデータの処理を実行します。

4. 銅 (II) の吸着実験

  1. 吸着等温線
    1. それぞれ選択した初期濃度 (10、20、30、40、50、60、80、および 100 mg L-1) と CuSO4溶液 (pH 5) 25 mL を含む三角フラスコの吸着剤の 0.05 g を配置します。0.1 M 硝酸溶液3と 0.1 M NaOH 水溶液を使って各銅溶液の pH を調整します。
      注: 選択した初期濃度とソリューションは、1 g L-1 CuSO4ソリューションで、成っている青硫酸塩の溶存 3.90625 g 1,000 mL ボリュームと花瓶を使用して固体によって希釈されます。
    2. 三角フラスコの蓋に合い、サーモスタット軌道シェーカー (150 rpm の攪拌速度) で 5 °/25 ° C にそれらを置く/45 ° C の 240 分。
    3. 0.22 μ m のメンブラン フィルターを使用して、ソリューションから吸着剤を区切ります。
    4. フレーム原子吸光法を使用して、濾液の銅濃度を調べます。
      注: すべての実験を行った 3 通とデータの平均をとる。Qe、銅 (ii) の吸着容量は、次のとおり算出されました。
      figure-protocol-3809(1)
      ここは
      C0 = 最初の銅濃度 (mg L-1)
      Ce = 最終濃度 (mg L-1)
      V = 解決の容積と
      m = 各吸着剤 (g) の重量。
  2. PH の影響
    1. (2、3、4、5、6、および 7) 選択した初期 pH と CuSO4溶液 (40 mg L-1) 25 mL を含む円錐フラスコの各吸着剤の 0.05 g を配置します。
    2. 三角フラスコの蓋に合い吸着平衡に到達する 24 h 25 ° C で (150 rpm の攪拌速度) とサーモスタット軌道シェーカーに入れてください。
    3. ステップ 4.1.3-4.1.4 を繰り返します。
  3. 吸着
    1. 場所 CuSO4ソリューション (30 mg L-1または 100 mg L-1pH 5) 磁気 25 ° C の水浴中の 125 mL を含まれているビーカーに吸着剤の 0.25 g (200 rpm) で攪拌。
    2. ピペットを使用して、0.5、1、2.5、5、10、30、60、120、および 180 分接触時間に達したら溶液 5 mL を描きます。
    3. ステップ 4.1.3-4.1.4 を繰り返します。

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結果

4 つのサンプルの窒素吸着/脱離等温線は図 1に示した。すべての吸着等温線は、低/P0領域に急速な増加を表示、これらの等温線が孔および支配的なメソ孔32成っているその細孔構造を示すタイプ IV (IUPAC 分類) に属する。

窒素吸着等温線から得られたすべてのサンプルの表面?...

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ディスカッション

このプロトコルでは、重要な手順の 1 つは最適な実験条件が判断される必要があるワンステップのアプローチでより良い物理化学的性質とメソ孔炭素の成功準備です。だから、以前の研究28行った直交配列マイクロ波熱分解実験、バガスとリン酸、熱分解の時間、電子レンジの電源と乾燥時間の含浸率の効果を考慮しました。その上、細心の退屈な Cu (II) に注意する必要が?...

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開示事項

著者が明らかに何もありません。

謝辞

著者は中央大学の中国 (No.KYZ201562)、中国ポスドク科学基金 (号 2014 M 560429)、江蘇省号のキー研究開発計画の基礎的研究資金を認めるBE2018708)。

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資料

NameCompanyCatalog NumberComments
All chemicals and reagents (phosphoric acid, etc.)Nanjing Chemical Reagent Co., LtdAnalytical grade
Electric furnaceLuoyang Bolaimaite Experiment Electric Furnace Co., Ltd
Microwave ovenNanjing Yudian Automation Technology Co., Ltd2.45 GHz frequency
Surface-area and porosimetry analyzerBeijing Gold APP Instrument Co., LtdVc-Sorb 2800TP
Fourier transform infrared (FTIR) spectrometerNicolet6700
Flame atomic absorption spectrophotometryBeijing Purkinje General Instrument CorporationA3
Element AnalyzerGermany Heraeus Co.CHN-O-RAPID 

参考文献

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