黄姜提取皂素后的残渣制备活性炭及热分解研究

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黄姜为盾叶薯蓣的根茎,是我国特有的用于生产薯蓣皂素最主要的药源植物,原来是野生的,现在可以人工种植。皂素工业是近年来在黄姜人工种植开发成功的基础上发展起来的一个新兴行业,黄姜生产皂素过程中产生的残渣是黄姜提取皂素后的残余物,生产1t皂素约产生7~8t的残渣,这些未处理的残渣不仅破坏了土壤的生态平衡,带来了水污染和粉尘污染,严重威胁着人们赖以生存的环境。黄姜提取皂素后的残渣的主要成分为木质素和纤维素,其含碳量高达48%,是制备活性炭的优质原料。因此,对黄姜皂素纤维渣的综合利用及治理,具有良好的经济效益和社会效益。本论文选择ZnCl2作为活化剂,采用两段法,以活性炭得率、碘吸附值和比表面积为评价指标,研究了利用黄姜提取皂素后的残渣制备活性炭的工艺条件。分别考察了炭化温度、炭化时间、活化温度、活化时间、浸渍比、浸渍时间和ZnCl2质量百分浓度对活性炭得率、碘吸附值和比表面积的影响,得到了ZnCl2作活化剂制备活性炭的最佳工艺条件:炭化温度300℃,炭化时间40min,活化温度600℃,活化时间105min,浸渍比6∶1,浸渍时间20h,ZnCl2质量百分浓度40%。在此最佳工艺条件下,活性炭的得率为38.81%,碘吸附值995.23 mg/g,亚甲基蓝吸附值14.5 ml/0.1g,焦糖脱色率115%,比表面积1085.586 m2/g。本论文又采用静态法研究了自制活性炭对Cr6+的吸附能力和适宜的吸附条件。通过研究溶液的PH值、活性炭投加量、振荡时间、温度对吸附效果的影响,确定了自制活性炭吸附Cr6+的适宜条件为:溶液PH=4,活性炭投加量为0.5g、振荡时间为4h、温度为20℃。在此条件下,自制活性炭对Cr6+的去除率达到了86.95%,其吸附容量为18.45mg Cr6+/g。此外,在氮气气氛下,分别对黄姜提取皂素后的残渣和ZnCl2浸渍后的残渣进行了热分解实验,对其热分解过程进行了分析,并研究了ZnCl2浸渍后的残渣的热分解动力学。在不涉及动力学模式函数的前提下,采用Kissinger法、Friedman法求得了ZnCl2浸渍后的残渣热分解第一阶段的活化能分别为29.84kJ/mol、44.45kJ/mol;第二阶段的活化能分别为79.35kJ/mol和83.97kJ/mol。而且,进一步采用多元非线性回归对其活化能进行了优化:n级自催化模型(Cn)可以较好地拟合ZnCl2浸渍后的残渣热分解第一阶段的实验数据,求得的活化能为42.87kJ/mol,lgA为3.0458,最概然机理函数.f(α)=(1-α)n(1+KcatX),其中,n=1.55,lgKcat=-0.0828。使用Ginstling-Brounslein型三维扩散模型(D4)可以较好地拟合ZnCl2浸渍后的残渣热分解第二阶段的实验数据,求得的活化能为154.25kJ/mol,lgA分别为5.9101,最概然机理函数f(a)=3/2[(1-α)-1/3-1]。ZnCl2浸渍后的残渣的热分解动力学研究,为其工业生产中反应器的设计和最佳工艺条件评定提供了重要参数。
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