Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

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

Published: February 12, 2019 doi: 10.3791/58161
Automatic Translation
1, 1
1College of Engineering, Nanjing Agricultural University

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 טיהור1,2,3,4. מלבד היתרונות הפיזיים שלה, פחם פעיל הוא חסכוני ולא מזיק לסביבה, חומר הגלם שלו (למשל, ביומסה) הוא שופע, רכש בקלות5,6. 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 אלה10,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 פחמן14,15. 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 פירוליזה9,17,18,19. . אז, זה במידה ניכרת אינפורמטיבי וידידותיים לסביבה כדי סינתזה מבוססי ביומסה פחם פעיל על-ידי הפעלת4 3פו 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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), qe, מחושב כדלקמן:
      Equation(1)
      כאן,
      ג0 = ריכוז נחושת הראשונית (מ ג L-1).
      Ce = 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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.

פרמטרים פיזיים השטח עבור כל הדגימות המתקבל של חנקן איזוטרמות מוצגים בטבלה 1. מיקרוגל פירוליזה ותיקונים שניהם תורמים מן המלון-אמט-טלר (ב') שטח וסיכום קטן יותר הנקבוביות נפח, שינוי המבנה הפיזי של הדגימות.

פורייה המרה אינפרא-אדום (FTIR) ספקטרום של הדגימות ארבע ניתנת באיור2. רצועות של MBAC ס מ 1167-1 [פחמן (C) - O מתיחה רטט], 1620 ס מ-1 (C = O מתיחה רטט), 2852 ס מ-1 [N - מימן (H) מתיחה רטט] 2922 ס מ-1 (C - H, מתיחת רטט), 3442 ס מ-1 (O - H מתיחה רטט) הינם אינטנסיביים יותר EBAC. אלה אולי לייחס את פירוליזה מיקרוגל תורם יותר קבוצות פונקציונליות חמצן אל פני השטח BAC. עבור EBAC-N ו- MBAC-N, להקות סביב 1573 ס מ-1 ס מ 1400-1 סביר מייצגים C = N ו- N - H קבוצות, בהתאמה. ניתן למצוא כי החומרים פחמן ששונה שקיבלת קבוצות פונקציונליות חנקן ברורים/חמצן, פחמן pyrolyzed מיקרוגל מקבל יותר, וזה על פי ניתוח היסודות כפי שמוצג בטבלה 1. זה יכול להיות העריך שפירוליזה מיקרוגל הזה היא יותר נאותה להפעיל את קודמן ואת שורש שכבו עוד שינויים מאשר קונבנציונאלי פירוליזה חימום חשמלי. MBAC-N הנו בעיקר הידרוקסיל, carboxyl, אמינו, ואימין קבוצות פונקציונליות.

איור 3 מראה את יכולת ספיחה של הדגימות ארבע בתנאים pH שונים. Adsorbents ארבע להגיע את קיבולת ספיחה אופטימלי ב- pH 5, אז הניסויים הבאים ספיחה כל מתבצעות ב- pH 5. הדגימות שהוכנו על ידי מיקרוגל פירוליזה הציג יותר קיבולת ספיחה Cu(II), לפני ואחרי השינוי, למרות שהם היו נמוך משטח נקבובית ושטח אחסון מסוים. באופן כללי, adsorbability של adsorbents תלויה קבוצות פונקציונליות נקבובית המבנה של פני השטח. לכן, יכולת ספיחה גבוהה של MBAC-N הוא מיוחס לקבוצות משטח N/O שופע יותר. התוצאות לאשר פירוליזה מיקרוגל הטבות המבוא מעקב של קבוצות פונקציונליות השטח כדי לשפר את יכולת ספיחה יותר פירוליזה חימום חשמלי.

איזוטרמות של MBAC-N-Cu(II)-5 ° C, 25 ° C ו- 45 ° C מוצגים באיור 4a. המאפיינים ספיחה של הדוגמאות עבור Cu(II) הופכים יותר כאשר הטמפרטורה עולה. על ידי השוואת הפרמטרים איזותרמה בטבלה מס ' 2, זה ברור כי המודל איזותרמה לאנגמיור מציין גבוה יותר ליניארי מקדם המתאם (R2) אשר על 0.99 (השורה התאמה ב איור 4b), ו של ספיחה נמדד קיבולת (q0mea) הוא זהה עם המחושבים אחד (q0cal). לפיכך, המודל הוא מתאים יותר מאשר הדגמים איזותרמה פרוינדליך על ו טמקין, אשר מציין כי קליטתם של Cu(II) היא תהליך ספיחה כימית33.

כפי שמוצג באיור 4 c, MBAC-N יכול להגיע כ- 75% קיבולת ספיחה של שיווי משקל Cu(II) בתוך 15 דקות, זה כמעט מגיע המאזן ספיחה של Cu(II) בערך 50 דקות בריכוזים שונים ראשונית. אלה מוכיחים כי MBAC-N יש תכונות ספיחה מצוינות. כפי שניתן לראות בלוח3, המודל pseudo-שנייה-הזמנה הוא טוב יותר מאשר הדגמים Lagergren ו- Elovich עם R2 = 0.999 (השורה התאמה ברה איור 4). התוצאות הנ לאשר ספיחה של Cu(II)-MBAC-N chemisorption. לפיכך, מוצע מנגנון אינטראקציה כימית של Cu(II) על ידי פחמן ששונה באיור5. 4 טבלה משווה את קיבולת ספיחה של Cu(II) על ידי מבוססי ביומסה פחם פעיל דיווח לאחרונה הפניות34,35,36,37,38. הוא נמצא כי MBAC-N יש קיבולת ספיחה גבוהה יותר מאשר אחרים adsorbents שדווחו בספרות, הוכחת את זה בתור adsorbent מבטיח להסרת Cu(II).

Figure 1
איור 1: חנקן isotherms ספיחה/desorption של פחמנים. הגרף שיבוץ באיור 1 מציג את איזותרמה ספיחה/desorption חנקן של MBAC-N בטווח ordinate קטנים יותר. הנתונים התקבלו מתוך התוכנה התומכת של מנתח פני-שטח ו- porosimetry. איור זה השתנה מ Wan ו- Li27. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: FTIR ספקטרום של EBAC, EBAC-N, MBAC, MBAC-ש הספקטרום יכול לאשר הכימי של פני השטח קבוצות פונקציונליות של הדגימות. איור זה השתנה מ Wan ו- Li27. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: השפעת pH פתרון על ספיחה Cu(II). ריכוז נחושת פתרונות הוא 40 מ ג L-1. הבדיקה מתבצעת 25 ° c ו- 150 סל ד במשך 24 שעות ביממה, כדי להגיע ספיחה שיווי משקל. איור זה השתנה מ Wan ו- Li27. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: ספיחה נציג המאפיין ניתוח MBAC-נ () לוח זה מראה את איזוטרמות של Cu(II) על MBAC-N-5 ° C 25 ° C, 45 מעלות צלזיוס. (b) לוח זה מראה את התוצאה הולם עבור ספיחה נחושת באמצעות איזותרמה לאנגמיור את. (ג) לוח זה מראה את קינטיקה של Cu(II) על MBAC-N בריכוזים הראשונית של 30 מ"ג L-1 ו- L 100 מ ג-1. (ד) לוח זה מראה את התוצאה הולם עבור ספיחה נחושת 25 ° c באמצעות מודל Pseudo-שנייה-הזמנה. איור זה השתנה מ Wan ו- Li27. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: הציע מנגנון Cu(II) ספיחה פחמן ששונה. בתהליך זה התגובה, ספיחה כימית בעיקר כרוך חילוף יונים ו complexing. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Adsorbents EBAC EBAC-N MBAC MBAC-N
פרמטרים מבנה נקבובית
מתערב שטח (ז2 g− 1) 978 609 543 61
נקבובית סה כ נפח (ס מ3 g− 1) 1.22 0.59 0.68 0.13
נפח Mesoporous (ס מ3 g− 1) 1.09 0.47 0.58 0.11
כלומר גודל DP (ננומטר) הנקבוביות 4.97 3.84 5.01 8.89
קצב Mesoporous (%) 89.52 80.24 85.32 84.61
אלמנטלים תוכן (wt %)
C 92.23 79.31 87.28 72.44
H 1.76 1.26 1.65 1.12
N 0.08 4.01 0.58 5.52
O 5.82 15.15 10.33 20.54
S 0.11 0.27 0.16 0.38
תשואה (%) 53.35 / 57.23 /

טבלה 1: מאפיינים מבניים ויצירות היסודות של EBAC, EBAC-N, MBAC, MBAC-ש הנתונים רקמתי מנותחים באמצעות שיטת התערבות. האחוז היחסי של האלמנטים מחושב בהתבסס על בסיס יבש ללא אש. טבלה זו שונתה מ Wan ו- Li27.

MBAC-N
מודלים איזותרמה פרמטרים 5 ° C 25 ° C 45 ° C
לאנגמיור q0קאל (מ ג g− 1) 20.82 24.09 25.97
q0mea (מ ג g− 1) 20.23 23.47 25.12
b (מ ג L− 1) 0.73 0.51 0.49
R2 0.999 0.996 0.995
פרוינדליך KF (מ ג L− 1) 8.802 9.65 10.56
n 3.937 3.902 4.032
R2 0.907 0.967 0.987
טמקין T (מ ג L− 1) 29.57 32.3 49.8
B (מ ג L− 1) 2.94 3.19 3.16
R2 0.969 0.985 0.955

בטבלה 2: איזותרמה הפרמטרים של Cu(II)-MBAC-N בטמפרטורות שונות. הפרמטרים מצויד הם מודלים ספיחה לאנגמיור פרוינדליך על, טמקין ליניארית. טבלה זו שונתה מ Wan ו- Li27.

MBAC-N
מודלים קינטי פרמטרים 30 מ"ג L− 1 100 מ ג L− 1
Lagergren k-1 (− 1דקות) 0.037 0.045
R2 0.714 0.934
qe, mea (מ ג g− 1) 13.39 22.69
Pseudo-שנייה-הזמנה qe, קאל (מ ג g− 1) 13.44 23.25
k2 (g (mg דקות)− 1) 0.08676 0.03031
R2 0.999 0.999
qe, mea (מ ג g− 1) 13.39 22.69
Elovich ΑE (g (mg דקות)− 1) 379.73 312.25
ΒE (מ ג g− 1) 0.738 0.411
R2 0.799 0.901

טבלה 3: הפרמטרים קינטי של-Cu(II)-MBAC-N בריכוזים שונים ראשונית. הפרמטרים מצויד מ Lagergren ליניארית, Pseudo-שנייה-הזמנה ומודלים Elovich. טבלה זו שונתה מ Wan ו- Li27.

Adsorbents ה-pH קיוe (מ ג g− 1) הפניות
עץ מבוססי פחמן activated פרטנית 5.5 6.016 34
פרי הבאובב נגזר מעטפת הופעל פחמן 6 3.0833 35
זית אבן AC (COSAC) 5 17.08 36
הופעל carbonfrom תאריך אבנים 5.5 18.68 37
קליפת אגוז המבוסס על פחם פעיל 5 9.3 38
פלזמה ששינה פחם פעיל 21.4
MBAC-N 5 25.12 מחקר זה

בטבלה 4: השוואה של יכולת ספיחה של Cu(II) על adsorbents שונים. היכולת של פחם פעיל כדי להסיר Cu(II) מושפע באופן משמעותי ה-pH של התמיסה, אז קיבולת ספיחה של החומרים פחמן מבוססי ביומסה ניגודיות צריכה להתקבל קרוב pH 5.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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, תנור מיקרוגל כוח, וזמן הייבוש. חוץ מזה, גדול חייבים להקפיד ב Cu מייגע (II)-ניסויים ספיחה, במיוחד כאשר ערך ה-pH של התמיסה מכוונן, כי ערך ה-pH יש השפעה רבה על הסרת Cu(II) על ידי פחם פעיל (איור 3). זה הכרחי לבדוק ריכוז נחושת בפועל של הפתרון4 CuSO עם ריכוז הראשונית מוגדרת, השתמש בערך זה כ- C0 במשוואה (1).

ניתן להשיג על-ידי הפעלת כימי סגולי גדול יותר עם נפח גבוה יותר נקבובית של פחם פעיל מבוססי ביומסה. עם זאת, שטח ספציפי וגם נפח נקבוביות הכולל ירידה בתהליך עוקבות פירוליזה ושינויים, אשר, ככל הנראה עקב התמוטטות סתימה של נקבוביות27, וכתוצאה מכך ירידה של קיבולת ספיחה. לכן, עבודה נוספת נדרש להכין mesoporous מבוססי ביומסה פחמן עם פני שטח גבוהה והן קבוצות פונקציונליות בשפע.

מיקרוגל פירוליזה מאומתת לסנתז mesoporous מבוססי ביומסה פחמן עם ספיחה גבוהה יותר חנקן/חמצן-chelating יותר מספקת עבור Cu(II), אשר יש יתרונות רבים על פני שיטות חימום המקובלת בשימוש נרחב. עם זאת, אין אפשרות לשלוט בטמפרטורה מיידי במדויק במהלך תהליך פירוליזה מיקרוגל. ביומסה הוא חומר הספיגה טובה מיקרוגל, שהטמפרטורה שלהם יכול להגדיל במהירות תחת ההשפעה של מיקרוגל. . בבירור, עבודה עתידיות צריך לבחון כיצד משפיעה הטמפרטורה פירוליזה על המאפיינים physicochemical של פחמן מבוססי ביומסה.

תיאור מפורט של מנגנון השינוי הוא מעבר להיקף של מאמר זה, אך ניתן למצוא קודם שפורסמו בספרות27. חשיבות פוטנציאל השינוי ניטריפיקציה וצמצום אשר יכול להציג בצורה יעילה יותר קבוצות פונקציונליות N/O במקביל על פני השטח של דוגמאות פחמן שווה להעריך. עם זאת, תהליך השינוי מכיל מדרגות רבות ניסיוני, הניצול של חומצה חזקה מרוכז מסוכן. שיטת שינוי פשוט יותר ויעיל יותר חנקן/חמצן עשוי להיות נבדק, אימצה במחקרים נוספים.

אנחנו הדגימו שיטה באנרגיה ידידותיים לסביבה עבור הכנת mesoporous מבוססי ביומסה הפחמן על ידי פירוליזה מיקרוגל ו N/O קבוצות בו זמנית על פחמן באמצעות מסלול ניטריפיקציה וצמצום. פחם פעיל כפול-מסטול כזה N/O בעלת קיבולת ספיחה גבוהה יותר של מטאל יונים בתמיסה המימית, אשר חלה על תיקונים בשפכים. אנו מצפים כי פרוטוקול זה יספק רעיונות להכנה מהירה של פחמן גבוהה-adsorptive מעולה של ביומסה באמצעות פירוליזה מיקרוגל לחיסכון בזמן, יעיל, ימוטב בעתיד.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

המחברים להכיר את המימון למחקר בסיסי האוניברסיטאות המרכזי של סין (No.KYZ201562), קרן המדע פוסט-דוקטורט (מס 2014 ז 560429) סין ו מפתח מחקר ופיתוח התוכנית של מחוז ג'יאנגסו (מס ' BE2018708).

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 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Saleh, T. A., Gupta, V. K. Processing methods, characteristics and adsorption behavior of tire derived carbons: a review. Advances in Colloid & Interface Science. 211, 93 (2014).
  2. Mohammadi, N., Khani, H., Gupta, V. K., Amereh, E., Agarwal, S. Adsorption process of methyl orange dye onto mesoporous carbon material-kinetic and thermodynamic studies. Journal of Colloid & Interface Science. 362 (2), 457 (2011).
  3. Saleh, T. A., Gupta, V. K. Column with CNT/magnesium oxide composite for lead(II) removal from water. Environmental Science & Pollution Research. 19 (4), 1224-1228 (2012).
  4. Asfaram, A., Ghaedi, M., Agarwal, S., Tyagi, I., Kumargupta, V. Removal of basic dye Auramine-O by ZnS:Cu nanoparticles loaded on activated carbon: optimization of parameters using response surface methodology with central composite design. RSC Advances. 5 (24), 18438-18450 (2015).
  5. Gupta, V. K., Saleh, T. A. Sorption of pollutants by porous carbon, carbon nanotubes and fullerene- an overview. Environmental Science and Pollution Research. 20 (5), 2828-2843 (2013).
  6. Ahmaruzzaman, M., Gupta, V. K. Rice Husk and Its Ash as Low-Cost Adsorbents in Water and Wastewater Treatment. Industrial & Engineering Chemistry Research. 50 (24), 13589-13613 (2011).
  7. Ahmed, M. J., Theydan, S. K. Adsorption of cephalexin onto activated carbons from Albizia lebbeck seed pods by microwave-induced KOH and K2CO3 activations. Chemical Engineering Journal. 211 (22), 200-207 (2012).
  8. Liew, R. K., et al. Production of activated carbon as catalyst support by microwave pyrolysis of palm kernel shell: a comparative study of chemical versus physical activation. Research on Chemical Intermediates. , 1-17 (2018).
  9. Lam, S. S., et al. Microwave-assisted pyrolysis with chemical activation, an innovative method to convert orange peel into activated carbon with improved properties as dye adsorbent. Journal of Cleaner Production. 162, 1376-1387 (2017).
  10. Jin, H., Wang, X., Gu, Z., Polin, J. Carbon materials from high ash biochar for supercapacitor and improvement of capacitance with HNO3 surface oxidation. Journal of Power Sources. 236, 285-292 (2013).
  11. Chen, H. Research Methods for the Biotechnology of Lignocellulose. Biotechnology of Lignocellulose: Theory and Practice. , Springer. Dordrecht, Netherlands. 403-510 (2014).
  12. Sayğılı, H., Güzel, F. High surface area mesoporous activated carbon from tomato processing solid waste by zinc chloride activation: process optimization, characterization and dyes adsorption. Journal of Cleaner Production. 113, 995-1004 (2016).
  13. Cao, Q., Xie, K. C., Lv, Y. K., Bao, W. R. Process effects on activated carbon with large specific surface area from corn cob. Bioresource Technology. 97 (1), 110-115 (2006).
  14. Xiao, X., et al. Adsorption behavior of phenanthrene onto coal-based activated carbon prepared by microwave activation. Korean Journal of Chemical Engineering. 32 (6), 1129-1136 (2015).
  15. Ge, X., et al. Adsorption of naphthalene from aqueous solution on coal-based activated carbon modified by microwave induction: Microwave power effects. Chemical Engineering & Processing Process Intensification. 91, 67-77 (2015).
  16. Yao, S., et al. Removal of Pb(II) from water by the activated carbon modified by nitric acid under microwave heating. Journal of Colloid and Interface Science. 463, 118-127 (2016).
  17. Ali, A., Idris, R. Utilization Of Low-cost Activated Carbon From Rapid Synthesis Of Microwave Pyrolysis For WC Nanoparticles Preparation. Advanced Materials Letters. 08 (1), 70-76 (2016).
  18. Puchana-Rosero, M. J., et al. Microwave-assisted activated carbon obtained from the sludge of tannery-treatment effluent plant for removal of leather dyes. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 504, 105-115 (2016).
  19. Du, Z. L., Zheng, T., Wang, P., Hao, L. L., Wang, Y. X. Fast microwave-assisted preparation of a low-cost and recyclable carboxyl modified lignocellulose-biomass jute fiber for enhanced heavy metal removal from water. Bioresource Technology. 201, 41-49 (2016).
  20. Ge, X., et al. Microwave-assisted modification of activated carbon with ammonia for efficient pyrene adsorption. Journal of Industrial & Engineering Chemistry. 39, 27-36 (2016).
  21. Ghaedi, M., et al. Modeling of competitive ultrasonic assisted removal of the dyes - Methylene blue and Safranin-O using Fe3O4 nanoparticles. Chemical Engineering Journal. 268, 28-37 (2015).
  22. Gupta, V. K., Nayak, A. Cadmium removal and recovery from aqueous solutions by novel adsorbents prepared from orange peel and Fe2O3 nanoparticles. Chemical Engineering Journal. 180 (3), 81-90 (2012).
  23. Robati, D., et al. Removal of hazardous dyes-BR 12 and methyl orange using graphene oxide as an adsorbent from aqueous phase. Chemical Engineering Journal. 284 (7), 687-697 (2016).
  24. Ali, I., Alothman, Z. A., Sanagi, M. M. Green Synthesis of Iron Nano-Impregnated Adsorbent for Fast Removal of Fluoride from Water. Journal of Molecular Liquids. 211, 457-465 (2015).
  25. Gupta, V. K., Kumar, R., Nayak, A., Saleh, T. A., Barakat, M. A. Adsorptive removal of dyes from aqueous solution onto carbon nanotubes: A review. Advances in Colloid & Interface Science. 193 (6), 24 (2013).
  26. Mittal, A., Mittal, J., Malviya, A., Gupta, V. K. Adsorptive removal of hazardous anionic dye "Congo red" from wastewater using waste materials and recovery by desorption. Journal of Colloid and Interface Science. 340 (1), 16-26 (2009).
  27. Wan, Z., Li, K. Effect of pre-pyrolysis mode on simultaneous introduction of nitrogen/oxygen-containing functional groups into the structure of bagasse-based mesoporous carbon and its influence on Cu(II) adsorption. Chemosphere. 194, 370-380 (2018).
  28. Li, K., Li, J., Lu, M., Li, H., Wang, X. Preparation and amino modification of mesoporous carbon from bagasse via microwave activation and ethylenediamine polymerization for Pb(II) adsorption. Desalination and Water Treatment. 57 (50), 24004-24018 (2016).
  29. Yantasee, W., et al. Electrophilic Aromatic Substitutions of Amine and Sulfonate onto Fine-Grained Activated Carbon for Aqueous-Phase Metal Ion Removal. Separation Science and Technology. 39 (14), 3263-3279 (2004).
  30. Quantachrome Autosorb-1 Series User's Guide. , Available from: http://www.umich.edu/~techserv/gasAdsorp/Autosorb-1.pdf (2007).
  31. Nicolet FT-IR User's Guide. , Available from: http://chemistry.unt.edu/~verbeck/LIMS/Manuals/6700_User.pdf (2015).
  32. Li, Y. B., Li, K. Q., Wang, X. H., Li, J. Ethylenediamine Modification of Hierarchical Mesoporous Carbon for the Effective Removal of Pb (II) and Related Influencing Factors. International Journal of Material Science. 6 (1), 58-65 (2016).
  33. Georgakopoulos, E., Santos, R. M., Chiang, Y. W., Manovic, V. Two-way Valorization of Blast Furnace Slag: Synthesis of Precipitated Calcium Carbonate and Zeolitic Heavy Metal Adsorbent. Journal of Visualized Experiments. (120), e55062 (2017).
  34. Loganathan, P., et al. Modelling equilibrium adsorption of single, binary, and ternary combinations of Cu, Pb, and Zn onto granular activated carbon. Environmental Science & Pollution Research. (15), 1-12 (2018).
  35. Vunain, E., Kenneth, D., Biswick, T. Synthesis and characterization of low-cost activated carbon prepared from Malawian baobab fruit shells by H3PO4 activation for removal of Cu(II) ions: equilibrium and kinetics studies. Applied Water Science. 7 (8), 4301-4319 (2017).
  36. Bohli, T., Ouederni, A., Villaescusa, I. Simultaneous adsorption behavior of heavy metals onto microporous olive stones activated carbon: analysis of metal interactions. Euro-Mediterranean Journal for Environmental Integration. 2 (1), 19 (2017).
  37. Bouhamed, F., Elouear, Z., Bouzid, J., Ouddane, B. Multi-component adsorption of copper, nickel and zinc from aqueous solutions onto activated carbon prepared from date stones. Environmental Science & Pollution Research. 23 (16), 1-6 (2016).
  38. Wu, L., et al. Surface modification of phosphoric acid activated carbon by using non-thermal plasma for enhancement of Cu(II) adsorption from aqueous solutions. Separation & Purification Technology. 197, (2018).

Tags

מדעי הסביבה גיליון 144 Mesoporous פחמן ביומסה פירוליזה מיקרוגל תנור חשמלי ספיחה נחושת (FTIR) ספקטרוסקופיית פורייה שינוי חנקן ספיחה איזותרמה קינטיקה ספיחה פונקציונלי קבוצה
הכנת ביומסה מבוססי פחמן Mesoporous עם חנקן גבוה יותר-/ ספיחה chelating חמצן עבור Cu(II) באמצעות פירוליזה קדם מיקרוגל
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Li, K., Wan, Z. Preparation of… More

Li, K., Wan, Z. Preparation of Biomass-based Mesoporous Carbon with Higher Nitrogen-/Oxygen-chelating Adsorption for Cu(II) Through Microwave Pre-Pyrolysis. J. Vis. Exp. (144), e58161, doi:10.3791/58161 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter