硫酸改性稻壳生物炭制备及VOCs吸附特性研究

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挥发性有机化合物(VOCs)属于碳氢化合物,具有低沸点、毒性等特点,在源介质之中,VOCs并不是固定存在的,一般情况下是来自于环境介质的积累与迁移过程,其中环境介质包括空气、水以及土壤等,极大的威胁了人类健康和自然环境。吸附法具有成本低廉、能耗低的优点,在现有大气污染控制工程中被认为是有效的处理措施之一,其中寻找到一种应用性好且高效的吸附剂是吸附法的关键。生物炭不仅制备方法简单,其自身拥有的丰富的表面官能团,以及稳定的内部结构使其在环境工程领域越来越受关注,常见于水体中有机污染物的吸附以及土壤重金属修复领域,用于VOCs气体的吸附研究还处于发展阶段。本研究以稻壳作为生物炭原材料,采取硫酸表面改性方法制备生物炭,研究不同温度条件以及酸改性时使用硫酸质量分数对吸附材料的影响,探讨硫酸改性生物炭材料对VOCs最大吸附量的试验条件及影响因素。具体研究如下:(1)探究不同制备温度对生物炭吸附甲苯的性能影响,发现700度制备的生物炭吸附性能最佳。在不同硫酸改性条件下制备生物炭,探究改性炭对甲苯的吸附性能影响,结果显示700DK7006的吸附性能最佳。通过扫描电子显微镜(SEM)完成样品形貌表征的过程,通过多分子层吸附模型(BET)完成样品的结构表征过程,对于样品的官能团以及样品组成的分析过程主要是利用傅里叶红外光谱仪(FTIR)以及X射线光电子能谱(XPS)技术完成的,利用拉曼光谱以及X射线衍射(XRD)完成样品晶相的鉴定过程,分析硫酸改性生物炭的理化性质,发现700DK7006的BET孔面积高达36.8780 m~2·g-1。(2)利用正交实验探究吸附温度、甲苯初始浓度、气体流量等因素对700DK7006吸附甲苯的条件影响及影响差别,研究发现700DK7006对甲苯的最佳吸附工艺条件为吸附温度25℃,甲苯初始浓度2 mg·L-1,气体流量50 m L·min-1的吸附性能,吸附量可达361.09 mg·g-1,且甲苯的初始浓度对吸附材料的特性影响程度最大。(3)通过研究改性炭对甲苯的动态吸附能力,发现Yoon-Nelson(Y-N)模型可以很好地描述突破曲线,相关拟合系数均大于98%,经过深入性的研究吸附材料的循环再利用所得出的结论可知,改性炭的可循环性较好,且改性炭在经历了五次脱附循环使用后仍然具备较好的吸附性能。酸改性生物炭具有丰富的孔结构、高甲苯吸附能力和优越的可重复使用性,显示出消除VOC的巨大潜力,此研究在提高生物炭利用率的同时增强了VOC的吸附率,为治理VOCs污染实际工程性应用提供依据。
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