바이오 매스 기반 Mesoporous 탄소 높은 질소-의 준비 / 전자 사전 열 분해를 통해 Cu(II)에 대 한 흡착 산소 킬레이트 화

요약

여기, 선물이 다른 열 분해 모드 수정 뒤에 화학 활성화 하 여 바이오 매스 로부터 질소/산소 듀얼 실수로 mesoporous 탄소를 합성 하는 프로토콜. 전자 레인지 열 분해 동시에 탄소에 더 많은 질소와 산소 기능 그룹을 소개 하는 후속 수정 과정 혜택을 설명 합니다.

초록

바이오 매스 기반 mesoporous 합성을 위한 환경 친화적인 기술 활성화와 높은 질소-탄소/Cu(II)에 대 한 흡착 산소 킬레이트 화 제안. 인산의 산 성 임신 사탕수수는 전조로 이용 된다. Pyrolyze 전조, 두 개의 별도 난방 모드 사용: 열 분해 및 기존의 전기 난방 열 분해 전자 레인지. 결과 사탕수수에서 파생 된 탄소 샘플 nitrification 및 감소 수정 수정 됩니다. 질소 (N) 산소 (O) 기능 그룹은 동시에 강화 complexing 및 이온 교환에 의해 Cu(II)의 그것의 흡착 활성 탄의 표면에 도입 /. 특성화 및 구리 흡착 실험 4 준비 탄소 샘플의 물리 화학적 특성을 조사 하 고 난방 방법을 호의 N/O 기능 그룹의도 핑에 대 한 후속 수정 결정 수행 됩니다. 이 기술에서는, 질소 흡착, 푸리에 변환 적외선 분광학, 및 일괄 처리 흡착 실험의 데이터 분석에 따라 그것은 입증 된 전자 레인지 pyrolyzed 탄소 더 많은 결함 사이트는 및 그러므로, 시간 절약 효과 전자 레인지 비록 그것은 낮은 특정 표면 영역을 이끌어 열 분해 탄소, 더 많은 N/O 종 기여. 이 기술은 더 높은 질소 및 산소와 폐수 업데이트 관리 응용 프로그램에서 중 금속 이온의 높은 흡착 용량 합성 adsorbents 유망한 경로 제공합니다.

서문

활성 탄소는 독특한 흡착 속성 개발 된 다공성 구조, 높은 특정 표면 영역 등 다양 한 표면 기능 그룹; 따라서, 그것은 물 치료 또는 정화^1,2,,34에 흡착 제로 채택 된다. 그것의 물리적 장점 외 활성 탄소는 비용 효율적이 고 환경에 무해 한 하 고 (예를 들어, 바이오 매스)의 원료는 풍부 하 고 쉽게 얻은^5,6. 활성 탄의 물리 화학적 특성에는 그 준비에 사용 되는 선구자에 및⁷의 정품 인증 과정 실험 조건에 따라 달라 집니다.

두 메서드는 일반적으로 활성 탄을 준비 하는 데 사용 됩니다:는 1 단계와 2 단계를 접근 하는⁸. 용어 한 단계 접근 선구자 연료 되 고 2 단계 접근 순차적으로 하는 동시에 활성화를 말합니다. 에너지 절약 및 환경 보호, 비추어 원스텝 접근 자사의 낮은 온도 및 압력 요구에 대 한 더 선호 이다.

게다가, 화학 및 물리적 활성화는 활성 탄의 텍스처 속성을 개선 하기 위해 활용 됩니다. 화학 활성화의 낮은 활성화 온도, 짧은 활성화 시간, 높은 탄소 수율 및 특정 학위⁹에서 더 많은 개발 및 제어 기 공 구조 때문에 명백한 이점이 물리적 활성화를 소유한 다. 그것은 화학 활성화 게 바이오 매스 feedstock H₃포₄, ZnCl₂, 또는 다른 특정 화학 물질, 활성 탄의 다공성 증가 열 분해 하기 때문에 다음으로 사용 하 여 수행할 수 있습니다 테스트 되었습니다. 바이오 매스의 lignocellulosic 구성 요소 때문에 이러한 화학 물질^10,11의 dehydrogenation 기능 후속 열 처리에 의해 쉽게 제거 될 수 있습니다. 따라서, 화학 활성화는 크게 활성 탄의 숨 구멍의 대형을 향상 또는 오염 물질¹²흡착 성능을 향상 시킵니다. 산 성 활성 제는 H₃포₄, 수요는 상대적으로 낮은 에너지, 높은 수익률, 그리고¹³환경 영향을 덜 선호.

전자 레인지 열 분해는 시간 절약, 균일 한 실내 난방, 에너지 효율 및 합성 활성 탄소^14,15대체 난방 방법을 만들고 선택적 난방에 우월. 기존의 전기 난방에 비해, 전자 레인지 열 분해 고 특정 화학 반응¹⁶홍보 열 화학 프로세스를 향상 시킬 수 있습니다. 최근, 광범위 한 연구 단계 전자 레인지 열 분해^9,17,,1819를 사용 하 여 바이오 매스 로부터 화학 활성화 하 여 활성 탄 준비에 집중 했다. 그래서, 그것은 상당히 유익 하 고 환경 친화적인 전자 레인지를 이용한 H₃포₄ 활성화 종합 바이오 매스 기반 활성 탄소.

또한, 특정 중 금속 이온으로 활성 탄의 흡착 선호도 개선, 수정 heteroatom [N, O, 유황 (S), 등] 탄소 구조에도 핑에 의해 제안 되었습니다., 그리고이 ^{바람직한 방법인 것을 입증 되었습니다. 20,21,22,23,,2425,26}. 결함이 사이트 또는 흑연 층의 가장자리에서 heteroatoms 기능 그룹²⁷를 생성 하 여 교체할 수 있습니다. 따라서, nitrification 및 감소 수정 결과 탄소 샘플 마약 complexing 및 이온 교환²⁸형성에 중 금속을 효율적으로 조정에 중요 한 역할을 하는 N/O 기능 그룹을 수정 하는 데 사용 됩니다.

위의 결과에 따라, 합성 화학 활성화 하 여 바이오 매스 로부터 N/O 듀얼 실수로 mesoporous 탄소와 수정에 의해 두 개의 서로 다른 열 분해 방법 프로토콜 선물이. 이 프로토콜은 또한 난방 방법을 호의 N/O 기능 그룹의도 핑 하 고, 따라서, 흡착 성능 향상에 대 한 다음 수정 결정 합니다.

프로토콜

1. 사탕수수 기반 활성 탄의 준비

1. 사탕수수 기반 활성 탄에 대 한 전조의 준비
   1. 사탕수수 (Jiangsu, 중국에서에서 농장에서 얻은) 이온을 제거 된 물으로 린스 하 고 샘플 10 h 100 ° C에서 건조 오븐에 넣어.
   2. 말린된 사탕수수는 분쇄기로 분쇄 하 고 50-메쉬 체 통해 분말을 체.
   3. 24 헤에 대 한 1:1 중량 비율에 15 wt % 인산 (H₃포₄) 솔루션으로 좋은 사탕수수 파우더의 장소 30 g 6 h. 사탕수수 기반 활성 탄 (BAC)에 대 한 전조로 결과 제품을 수집에 대 한 105 ° C에서 오븐에 혼합물을 건조.
2. 전조의 기존 전기 난방 열 분해
   1. 석 영 보트에 전조의 15 g을 넣고 전기로의 석 영 유리관에 석 영 보트를 삽입.
   2. 것은 샘플 carbonize ° C 5 분^-1 에서 보일 러의 난방 속도 설정 합니다. 온도가 500 ° C에 도달 하면, 90 분에 대 한 온도 유지 하 고 결과 활성화 탄소 샘플 질소에서 실내 온도에 냉각을 허용. 전체 과정 80 mL 분^-1 회전자 유량의 질소 흐름을 확인 합니다.
   3. Triturate 및 전기로 pyrolyzed 사탕수수 기반 활성 탄소 (EBAC) 비 커에서 수집 하 고 24 h에 대 한 105 ° C에서 진공 건조 오븐에서 그것을 열.
3. 전조의 마이크로파 분해
   1. 전조의 15 g (2.45 g h z 주파수)와 전자 레인지 오븐에 넣어.
   2. 레인지의 전력 900 W pyrolyze 22 분에 대 한 예제를 설정 하 고 20 mL 분^-1 회전자 유량 계에서 질소 유량 확인 합니다. 로 터 유량의 공기 흡입구 호스, 전자 레인지 오븐의 공기 흡입구에 연결 콘센트 사용 질소 실린더에 연결 된다.
   3. 결과 탄소 질소에서 실내 온도에 냉각 허용 합니다. Triturate 및 비 커에 탄소 샘플을 수집 하 고 염 산 (0.1 M)의 300 mL를 추가 합니다. 실 온에서 12 시간 이상 (200 rpm)에 자력을 사용 하 여 혼합물을 저 어.
   4. 진공 여과 필터 종이 의해 탄소 필터 및 세척 수의 pH 값은 > 6 때까지 이온된 수와 함께 샘플을 씻어. 전자 레인지 pyrolyzed 사탕수수 기반 활성 탄소 (MBAC) 24 h에 대 한 105 ° C에서 진공 건조 오븐에서 건조.

2. 전기로 pyrolyzed 사탕수수 기반으로 활성 탄과 전자 레인지 pyrolyzed 사탕수수 기반 활성 탄의 수정

참고: 두 샘플의 수정 문학²⁹에 따라 실시 했다.

1. Nitrification
   1. 황산의 집중 50 mL 및 50 mL (얼음 목욕)에 0 ° C에서 비 커에 집중 된 질소 산의 혼합.
      주의: 집중된 한 황산 및 집중된 한 질소 산의 혼합물을 혼합 하는 때 집중된 한 황산 한다 천천히 집중된 한 질소 산에 추가 하 고 유리 막대 자극 되며 시간에 냉각.
   2. EBAC/MBAC의 10 g 혼합된 솔루션에 추가 합니다. 자력 교 반기를 사용 하 여 (200 rpm)에서 120 분 동안 혼합물을 저 어.
   3. Nitrified EBAC/MBAC 진공 여과 필터 종이 필터링 합니다. 세척 수는 pH 6에 도달할 때까지 탄소 이온을 제거 된 물으로 세척 하 고 24 시간 동안 90 ° C에서 건조 오븐에서 건조.
2. 감소 수정
   1. 3 센 플라스 크에서 결과 제품의 5.05 g, 이온된 수, 50 mL 및 암모니아 솔루션 (15 M) 20 mL를 추가 합니다. (200 rpm)에서 자력으로 15 분 동안이 혼합물을 저 어 다음 나₂S₂O₄, 28 g를 추가 하 고 20 h에 대 한 실 온에서 교 반 혼합을 두고.
   2. 플라스 크에 환류 콘덴서 고 혼합물을 따뜻한 오일 목욕을 사용 하 여 최대 100 ° C. 채널₃(2.9 M) COOH의 120 mL 플라스 크에 추가 하 고 역류에서 (200 rpm)에서 자력으로 5 h에 대 한 파문 혼합물을 허용.
   3. 실내 온도에 냉각 솔루션 수 있도록 기름 목욕을 제거 합니다. 탄소 샘플 필터 및 솔루션 pH > 6까지 이온된 수로 그것을 씻어. 수정 된 EBAC/MBAC 90 ° C에서 건조 하 고 "EBAC-N/MBAC-N"으로 표시.

3. adsorbent 특성화

1. 구조 c haracterization - 질소 흡착/탈 착 등온선
   1. 무게는 빈 샘플 튜브. 샘플 튜브를 탄소 샘플 (~0.15 g)를 추가 합니다.
   2. 진공 상태에서 5 h 110 ° C에서 샘플 드 탄소를 포함 하는 샘플 튜브를 무게. 탄소 샘플의 무게를 계산 합니다.
   3. 액체 질소를 사용 하 여-196 ° C³⁰에 그것을 측정 하는 표면-지역 및 porosimetry 분석기의 테스트 영역으로 샘플 튜브를 설치 합니다.
2. 화학 특성 - 푸리에 변환 적외선 분광학
   1. 온도 습도 확인 하 고 환경 요구 사항을 충족 하는지 여부를 관찰: 온도 해야 16-25 ° C, 상대 습도 20%-50%.
   2. 샘플 창에 방 습 제와 먼지 덮개를 제거 합니다.
   3. 탄소 샘플 및 칼륨 평범한 사람을 스펙트럼에 물의 영향을 피하기 위해 4 h 110 ° C에서 드라이. 칼륨 평범한 사람와 탄소 샘플을 믹스 하 고 언론 메커니즘을 사용 하 여 테스트 샘플을 준비 하.
   4. 테스트 영역에 샘플을 넣어 고는 소프트웨어의 매개 변수를 설정 합니다.
   5. 스펙트럼을 저장 하 고 샘플을 꺼내. ³¹스펙트럼 대 한 필요한 데이터 처리를 수행 합니다.

4. Cu (II)-흡착 실험

1. 흡착 등온선
   1. 흡착 제의 0.05 g CuSO₄ 솔루션 (pH 5) 선택한 초기 농도 (10, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 및 100 mg L^-1)와 25 mL를 포함 하는 원뿔 플라스 크의 각 장소. 0.1 m M HNO₃ 와 0.1 M NaOH 솔루션 사용 하 여 각 구리 솔루션의 pH를 조정.
      참고: 선택한 초기 농도로 솔루션 1 g L^-1 CuSO₄ 솔루션, 이루어져 있다 파란 황산 염의 용 해 3.90625 g 1000 mL 볼륨 꽃병을 사용 하 여 고체에 의해 희석 이다.
   2. 원뿔 플라스 크에 뚜껑 하 고 5 ° C/25 ° C에서 (150 rpm의 교 반 속도)와 서 모스 탯 궤도 통에 넣어/45 ° C 240 분.
   3. 0.22 μ m 멤브레인 필터를 사용 하 여 솔루션에서는 adsorbents 분리.
   4. 여과 액의 구리 농도 결정 하는 불꽃 원자 흡수 분 광 광도 법을 사용 합니다.
      참고: 모든 실험 실시 했다 3 중에서 고 데이터 평균 했다. Cu(II), q_e에 대 한 흡착 능력은 다음과 같이 계산 되었다.
      (1)
      여기,
      C₀ = 초기 구리 농도 (m g L^-1)
      C_e = 최종 농도 (m g L^-1)
      V = 솔루션 볼륨 및
      m = 각 흡착 제 (g)의 무게.
2. PH의 영향
   1. 흡착 제의 0.05 g CuSO₄ 솔루션 (40 m g L^-1) (2, 3, 4, 5, 6, 및 7) 선택한 초기 ph의 25 mL를 포함 하는 원뿔 플라스 크의 각 장소.
   2. 원뿔 플라스 크에 뚜껑 맞추기와 흡착 평형 상태 도달 24 h 25 ° C에서 (150 rpm의 교 반 속도)와 서 모스 탯 궤도 통에 넣어.
   3. 4.1.3-4.1.4 단계를 반복 합니다.
3. 흡착 속도 론
   1. 장소는 CuSO₄ 솔루션 (30 m g L^-1 또는 100 mg L^-1pH 5) 자기와 25 ° C 물 목욕에서의 125 mL를 포함 하는 비 커에 흡착 제 0.25 g (200 rpm)에 감동.
   2. 펫을 사용 하 여 접촉 시간에 도달 하면 0.5, 1, 2.5, 5, 10, 30, 60, 120, 및 180 분 솔루션의 5 mL을 그릴.
   3. 4.1.3-4.1.4 단계를 반복 합니다.

결과

4 샘플의 질소 흡착/탈 착 등온선은 그림 1에 표시 됩니다. 모든 흡착 등온선 낮은 P/P₀ 지역에 있는 급속 한 증가 표시 하 고 이러한 등온선 유형 IV (IUPAC 분류) 지배적인 mesopores³²micropores로 구성 된 그들의 기 공 구조를 보여주는에 속한다.

질소 흡착 등온선에서 얻은 모든 샘플에 ?...

토론

이 프로토콜에서 중요 한 단계 중 하나는 최적의 실험 조건 결정 될 필요가 mesoporous 탄소 1 단계 접근에 의해 더 나은 물리 화학적 특성의 성공적인 준비입니다. 그래서, 이전 연구²⁸의 경우, 우리는 실시 직교 배열 전자 레인지 열 분해 실험, 사탕수수 및 인산, 열 분해, 전자 레인지 전력, 시간과 건조 시 수태 비율의 효과 고려 하 고. 게다가, 큰 주의 해야 한다 지루한 Cu (II)-흡착 ?...

자료

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