Summary
Hier presenteren we een protocol om te synthetiseren van stikstof/zuurstof mesoporous dual-doped koolstof uit biomassa door chemische activatie in verschillende pyrolyse modi gevolgd door wijziging. We laten zien dat de magnetron pyrolyse het latere wijziging proces profiteert te voeren tegelijkertijd meer stikstof en zuurstof functionele groepen op de koolstof.
Abstract
Een milieuvriendelijke techniek voor het synthetiseren van biomassa gebaseerde mesoporous actieve kool met hoge stikstof- / zuurstof-chelaat adsorptie voor Cu(II) wordt voorgesteld. Bagasse geïmpregneerd met fosforzuur wordt gebruikt als een voorloper. Als u wilt pyrolyze de voorloper, twee aparte verwarming modi worden gebruikt: magnetron pyrolyse en conventionele elektrische-verwarming pyrolyse. De resulterende bagasse afkomstige koolstof monsters zijn met nitrificatie en vermindering van de wijziging gewijzigd. Stikstof (N) / zuurstof (O) functionele groepen gelijktijdig worden ingevoerd op het oppervlak van actieve kool, verbetering van de adsorptie van Cu(II) door complexvormers en ion-exchange. Karakterisering en koperen adsorptie experimenten worden uitgevoerd om de fysisch-chemische eigenschappen van vier bereid koolstof monsters te onderzoeken en te bepalen welke methode van verwarming gunsten de latere wijziging voor doping van N/O functionele groepen. Bij deze techniek, gebaseerd op het analyseren van gegevens van stikstof adsorptie, Fourier transform infrarood spectroscopie en batch adsorptie experimenten, is het bewezen dat het in de magnetron-pyrolyzed koolstof meer defect sites heeft en, derhalve, tijdbesparende effectief magnetron pyrolyse draagt meer N/O soorten aan de koolstof, hoewel het leidt tot een lagere specifieke oppervlakte. Deze techniek biedt een veelbelovende route naar synthese adsorbents met hogere stikstof en zuurstofgehalte en een hogere capaciteit van de adsorptie van zware metalen ionen in afvalwater sanering toepassingen.
Introduction
Actieve kool heeft unieke adsorptie eigenschappen, zoals een ontwikkelde poreuze structuur, een hoge specifieke oppervlakte en verschillende oppervlakte functionele groepen; Daarom is het werkzaam als een absorberend in water behandeling of zuivering1,2,3,4. Naast de fysieke voordelen, actieve kool is kosteneffectief en onschadelijk voor het milieu, en de grondstof (bijvoorbeeld, biomassa) is overvloedig en gemakkelijk verkregen5,6. De fysisch-chemische eigenschappen van actieve kool zijn afhankelijk van de precursoren die worden gebruikt bij de voorbereiding en de proefomstandigheden van de activering proces7.
Twee methoden worden meestal gebruikt voor het bereiden van actieve kool: een stap en een tweefasige benadering8. De termijn voor de one-step verwijst naar precursoren worden verkoold en tegelijkertijd geactiveerd terwijl de aanpak in twee stappen daartoe opeenvolgend verwijst. Met het oog op energiebesparing en milieubescherming is de one-step-aanpak meer aangewezen voor de lagere temperatuur en druk eisen.
Bovendien, chemische en fysische activering worden gebruikt ter verbetering van de textuur eigenschappen van actieve kool. Chemische activering bezit schijnbare voordelen ten opzichte van fysieke activering vanwege haar lagere temperatuur van de activering, korter activering, hogere koolstof opbrengst en meer ontwikkelde en controleerbare poriënstructuur in een bepaalde graad-9. Het is ook getest dat chemische activering kan worden uitgevoerd door impregneren biomassa als grondstof met H3PO4, ZnCl2, of andere specifieke chemische stoffen bevatten, gevolgd door pyrolyse te verhogen van de poreusheid van de actieve kool, omdat lignocellulose onderdelen van biomassa kunnen gemakkelijk worden verwijderd door een latere verwarming behandeling, vanwege het vermogen dehydrogenering van deze chemische stoffen10,11. Vandaar, de activering van de chemische sterk verbetert de vorming van actieve kool van poriën of verbetert de adsorberende prestaties aan contaminanten12. Een zure activator is voorkeur H3PO4, als gevolg van de relatief lagere vraag naar energie, hoger rendement, en minder invloed op het milieu13.
Magnetron pyrolyse beschikt over de superioriteit in de tijd te besparen, uniforme interieur verwarmings-, energie-efficiëntie en selectieve Verwarming, waardoor het een alternatieve verwarming methode om synthese-geactiveerde koolstof14,15. Vergeleken met conventionele elektrische verwarming, kan magnetron pyrolyse thermo-chemische processen verbeteren en bevorderen van bepaalde chemische reacties16. Onlangs, hebben uitgebreide studies gericht op voorbereiding van actieve kool door chemische activering uit biomassa gebruiken one-step magnetron pyrolyse9,17,18,19. Dus, het is aanzienlijk informatief en milieu-vriendelijke aan synthese biomassa gebaseerde actieve kool door magnetron-bijgewoonde H3PO4 activering.
Bovendien, ter verbetering van de adsorptie verwantschappen van actieve kool naar specifieke zware metalen ionen, gewijzigd door heteroatoom [N, O, zwavel (S), enz.] doping in de structuren van de koolstof heeft voorgesteld, en dit heeft bewezen een wenselijk methode 20,21,22,23,24,25,26. Defecte sites in of aan de randen van een laag grafiet kunnen worden vervangen door heteroatomen voor het genereren van functionele groepen27. Vandaar, nitrificatie en vermindering van de wijziging worden gebruikt voor het wijzigen van de resulterende koolstof monsters te dope N/O functionele groepen die een cruciale rol bij het efficiënt coördineren met zware metalen om te vormen van de complexvormers en ionenwisseling28.
Op basis van de bovenstaande bevindingen, presenteren we een protocol om te synthetiseren N/O mesoporous dual-doped koolstof uit biomassa door chemische activering en twee verschillende pyrolyse methoden gevolgd door wijziging. Dit protocol bepaalt ook welke verwarming methode gunsten de daaruit voortvloeiende wijziging voor doping van de N/O functionele groepen en, dus, verbetering van de prestaties van de adsorptie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. bereiding van Bagasse gebaseerde actieve kool
-
Voorbereiding van de voorloper van bagasse gebaseerde actieve kool
- De bagasse (afkomstig van een boerderij in Jiangsu, China) met gedeïoniseerd water afspoelen en zetten de monsters in een droogstoof op 100 ° C voor 10 h.
- Crush de gedroogde bagasse met een molen en zeef het poeder door middel van een 50-maaswijdte van de zeef.
- Plaats 30 g fijne bagasse poeder in een 15 wt % fosforzuur (H3PO4) oplossing in een 1:1 gewichtsverhouding voor 24 h. droog het mengsel in een oven bij 105 ° C voor 6 h. verzamelen het resulterende product als een voorloper voor bagasse gebaseerde actieve kool (BAC).
-
Conventionele elektrische-verwarming pyrolyse van de voorloper
- 15 g van de voorloper gestoken met een kwarts-boot en voeg vervolgens de quartz-boot in een quartz glazen buis van een elektrische oven.
- Stelt het tarief van de verwarming van de oven op 5 ° C min-1 aan het carbonize van het monster. Wanneer de temperatuur 500 ° C bereikt, de temperatuur gedurende 90 minuten en laat het resulterende geactiveerd-koolstof monster afkoelen tot kamertemperatuur in stikstof. Waarborging van een stikstof informatiestroom 80 mL min-1 met een rotor debietmeter tijdens het gehele proces.
- Triturate en het verzamelen van de elektrische-oven-pyrolyzed op basis van bagasse actieve kool (EBAC) in een bekerglas en dan verwarmen in de oven van een vacuüm drogen bij 105 ° C gedurende 24 uur.
-
Magnetron pyrolyse van de voorloper
- Zet 15 g van de voorloper in een magnetron (met een frequentie van 2,45 GHz).
- De kracht van de magnetron vastgesteldop 900 W aan de pyrolyze van het monster voor 22 min, en zorgen voor de stroomsnelheid stikstof op 20 mL min-1 met een debietmeter rotor. De luchtinlaat van de rotor debietmeter is verbonden met een stikstof-cilinder met behulp van een slang, terwijl het stopcontact is aangesloten op de luchtinlaat van de magnetron.
- Toestaan dat de resulterende koolstof afkoelen tot kamertemperatuur in stikstof. Triturate en verzamelen van het koolstof-monster in een bekerglas en vervolgens Voeg 300 mL zoutzuur (0.1 M). Roer het mengsel met een magneetroerder (bij 200 omwentelingen per minuut) voor meer dan 12 uur bij kamertemperatuur.
- De koolstof filteren door filterpapier met vacuüm filtratie en spoel het monster met gedeïoniseerd water tot de pH-waarde van het waswater > 6 is. De magnetron-pyrolyzed op basis van bagasse actieve kool (MBAC) in een oven vacuüm drogen bij 105 ° C gedurende 24 uur drogen.
2. wijziging van de elektrische-oven-pyrolyzed op basis van Bagasse actieve kool en magnetron-pyrolyzed op basis van Bagasse actieve kool
Nota: De wijziging van de twee monsters werd uitgevoerd volgens de literatuur29.
-
Nitrificatie
- Meng 50 mL geconcentreerd zwavelzuur en 50 mL geconcentreerd salpeterzuur zuren in een bekerglas bij 0 ° C (in een ijsbad).
Let op: Wanneer het mengsel van geconcentreerd zwavelzuur en geconcentreerd salpeterzuur is gemengd, het geconcentreerde zwavelzuur moet langzaam toegevoegd aan de geconcentreerd salpeterzuur en geroerd met een roerstaaf en afgekoeld in tijd. - Voeg 10 g EBAC/MBAC aan de gemengde oplossing. Gebruik een magneetroerder aan het roer het mengsel gedurende 120 minuten (bij 200 omwentelingen per minuut).
- De nitrified EBAC/MBAC filteren door filterpapier met vacuüm filtratie. Wassen van de koolstof met gedeïoniseerd water totdat het waswater pH 6 bereikt en vervolgens in een droogstoof bij 90 ° C gedurende 24 uur drogen.
- Meng 50 mL geconcentreerd zwavelzuur en 50 mL geconcentreerd salpeterzuur zuren in een bekerglas bij 0 ° C (in een ijsbad).
-
Reductieve wijziging
- Voeg het resulterende product 5.05 g, 50 mL gedeïoniseerd water en 20 mL van de ammonia (15 M) in een maatkolf van drie rondbodemkolf. Roer dit mengsel gedurende 15 minuten met een magneetroerder (bij 200 omwentelingen per minuut), dan Voeg 28 g nb2S2O4, en laat het mengsel roeren bij kamertemperatuur gedurende 20 uur.
- Past een terugvloeikoeler aan op de maatkolf en warm het mengsel tot 100 ° C met behulp van een oliebad. Voeg vervolgens 120 mL van CH3COOH (2.9 M) aan op de maatkolf en laat het mengsel roer gedurende 5 h met een magneetroerder (bij 200 rpm) onder terugvloeiing.
- Verwijder de oliebad zodat de oplossing om af te koelen tot kamertemperatuur. Het monster van de koolstof filter en wassen met gedeïoniseerd water tot de oplossing pH > 6. Droog de gemodificeerde EBAC/MBAC bij 90 ° C en het aanduiden als "EBAC-N/MBAC-N".
3. adsorberende karakterisering
-
Structurele c haracterization — Stikstof adsorptie/desorptie-isothermen
- Een lege monsterbuisje wegen. Een koolstof monster (~0.15 g) aan het monsterbuisje toevoegen.
- Ontgas het monster bij 110 ° C gedurende 5 uur in een vacuüm. Weeg het monsterbuisje met carbon. Bereken het gewicht van het monster van de koolstof.
- Installeer het monsterbuisje in de proefruimte van de Analysator van het oppervlak-gebied en porosimetrie met behulp van vloeibare stikstof om het te meten op 196 ° c.30.
-
Chemische karakterisering — Fourier transform infrarood spectroscopie
- Controleer de temperatuur en de hygrometer en observeren of het milieu voldoet aan de eisen: moet de temperatuur 16-25 ° C en de relatieve vochtigheid 20% - 50%.
- Verwijder de droogmiddel en stofkap in het magazijn van de steekproef.
- Droog de koolstof monster en kalium bromide bij 110 ° C gedurende 4 uur om te voorkomen dat het effect van water op het spectrum. Meng het koolstof monster met kalium bromide en gebruik vervolgens een pers-mechanisme ter voorbereiding van het monster.
- Zet het monster in het testgebied en stel de parameters van de software.
- Sla de spectra en neem uit het monster. De verwerking van een vereiste gegevens voor de spectra31uitvoeren.
4. Cu (II)-adsorptie experimenten
-
Adsorptie-isotherm
- 0,05 g voor absorberend plaats in elk van de erlenmeyers, waarin 25 mL van een CuSO4 oplossing (pH 5) met een geselecteerde beginconcentratie (10, 20, 30, 40, 50, 60, 80 en 100 mg L-1). Gebruik een 0,1 M HNO3 en 0,1 M NaOH-oplossing om de pH van de oplossing van elke koper.
Opmerking: Een oplossing met de geselecteerde beginconcentratie wordt verdund door een 1 g L-1 CuSO4 oplossing, die is samengesteld uit een opgeloste 3.90625 g van blue vitriool solide de vaas met een volume van 1000 mL. - Passen de deksels op de erlenmeyers en leg ze in een thermostatische roteerschudapparaat (met een opzwepende snelheid van 150 rpm) bij 5 ° C/25 ° C/45 ° C gedurende 240 min.
- Gebruik 0,22 μm membraanfilters te scheiden van de adsorbents van de oplossing.
- Gebruik een vlam atomaire absorptiespectrometrie om te bepalen van de koperen concentratie van het filtraat weg.
Opmerking: Alle experimenten werden uitgevoerd in drievoud en de gegevens waren gemiddeld. De adsorptie-capaciteit voor Cu(II), qe, was als volgt berekend:
(1)
Hier,
C0 = de oorspronkelijke koper concentratie (mg L-1),
Ce = de uiteindelijke concentratie (mg L-1),
V = het volume van de oplossing, en
m = de massa van elke absorberend (g).
- 0,05 g voor absorberend plaats in elk van de erlenmeyers, waarin 25 mL van een CuSO4 oplossing (pH 5) met een geselecteerde beginconcentratie (10, 20, 30, 40, 50, 60, 80 en 100 mg L-1). Gebruik een 0,1 M HNO3 en 0,1 M NaOH-oplossing om de pH van de oplossing van elke koper.
-
Invloed van pH
- 0,05 g voor absorberend plaats in elk van de erlenmeyers, waarin 25 mL van een CuSO4 oplossing (40 mg L-1) met een geselecteerde eerste pH (2, 3, 4, 5, 6 en 7).
- Passen de deksels op de erlenmeyers en leg ze in een thermostatische roteerschudapparaat (met een opzwepende snelheid van 150 rpm) bij 25 ° C gedurende 24 uur te bereiken van de evenwichtsvoorwaarden voor adsorptie.
- Herhaal stap 4.1.3-4.1.4.
-
Adsorptie kinetiek
- Plaats 0,25 g van absorberend in een bekerglas met 125 mL een CuSO4 -oplossing (30 mg L-1 of 100 mg L-1, pH 5) in een bad van 25 ° C water met magnetische roeren (bij 200 omwentelingen per minuut).
- Gebruik pipetten om te tekenen van 5 mL van de oplossing wanneer de contacttijd 0,5, 1, 2.5, 5, 10, 30, 60, 120 en 180 min bereikt.
- Herhaal stap 4.1.3-4.1.4.
(1)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Stikstof adsorptie/desorptie-isothermen van vier monsters worden weergegeven in Figuur 1. Alle de adsorptie-isothermen toenam in lage P/P0 regio weergeven en deze isothermen behoren tot type IV (IUPAC-nomenclatuur) demonstreren hun porie-structuur die uit micropores en dominante mesopores32 bestaat.
De oppervlakte fysieke parameters voor alle monsters die zijn verkregen van de stikstof de adsorptie-isothermen zijn vermeld in tabel 1. Magnetron pyrolyse en wijziging die zowel bijdragen aan een kleinere oppervlakte Brunauer-Emmett-Teller (inzet) en totaal poriën volume, het veranderen van de fysieke morfologie van de monsters.
Fourier transform infrarood spectra (FTIR) van de vier monsters zijn afgebeeld in Figuur 2. Balken van MBAC 1167 cm-1 [koolstof (C) - O uitrekken trillingen], 1620 cm-1 (C = O uitrekken trillingen), 2852 cm-1 [N - waterstof (H) rekken trillingen], 2922 cm-1 (C - H uitrekken trillingen) en 3442 cm-1 (O - H Stretching trillingen) zijn intenser dan EBAC. Dit kunnen worden toegeschreven aan de magnetron pyrolyse bijdragen meer zuurstof functionele groepen naar de oppervlakte BAC. Voor EBAC-N en MBAC-N, banden rond 1573 cm-1 en 1400 cm-1 waarschijnlijk C vertegenwoordigen = N en N - H groepen, respectievelijk. Het kan worden gevonden dat de gemodificeerde koolstof-materialen hebben verkregen afzonderlijke stikstof/zuurstof functionele groepen, en de magnetron-pyrolyzed koolstof meer krijgt, die is volgens de elementaire analyse, zoals aangegeven in tabel 1. Er kan worden gespeculeerd dat magnetron pyrolyse is adequater de voorloper en lag root voor verdere wijzigingen dan conventionele elektrische-verwarming pyrolyse te activeren. MBAC-N bezit voornamelijk hydroxyl, carboxyl, amino, en imine functionele groepen.
Figuur 3 toont de capaciteit van de adsorptie van de vier monsters onder verschillende pH voorwaarden. De vier adsorbents bereiken de optimale adsorptie capaciteit bij pH 5, zodat de volgende adsorptie experimenten zijn allemaal uitgevoerd met een pH van 5. De monsters bereid door magnetron pyrolyse tentoongesteld beter Cu(II) adsorptie capaciteit voor en na de wijziging, hoewel zij had een lagere specifieke oppervlakte gebied en porie volume. In het algemeen, hangt de adsorbability van adsorbents in de porie structuur en oppervlak functionele groepen. Daarom is de capaciteit van de hoge adsorptie van MBAC-N wordt toegeschreven aan meer overvloedig N/O oppervlak groepen. De resultaten bevestigen dat de magnetron pyrolyse de follow-up invoering van oppervlakte functionele groepen profiteert ter verbetering van de capaciteit van de adsorptie van meer dan elektrische-verwarming pyrolyse.
De adsorptie-isothermen van MBAC-N op Cu(II) op 45 ° C, 5 ° C en 25 ° C worden weergegeven in figuur 4a. De eigenschappen van de adsorptie van monsters voor Cu(II) worden beter wanneer de temperatuur stijgt. Door het vergelijken van de Thermo-parameters in tabel 2, is het duidelijk dat de Langmuir] Thermo model geeft een hogere lineaire correlatiecoëfficiënt (R2) die meer dan 0,99 (de montage lijn in figuur 4b), en de gemeten adsorptie is capaciteit (q0mea) is identiek met de berekende een (q0cal). Het model is dus geschikter dan de Freundlich en Temkin] Thermo modellen, waarmee wordt aangegeven dat de absorptie van Cu(II) een chemische adsorptie proces33 is.
Zoals blijkt uit Figuur 4 c, MBAC-N ongeveer 75% van Cu(II) evenwicht adsorptie capaciteit binnen 15 min kan bereiken, en het kan bijna het bereiken van het adsorptie-evenwicht van Cu(II) in ongeveer 50 minuten bij verschillende concentraties van de eerste. Deze blijken dat MBAC-N uitstekende adsorptie eigenschappen heeft. Zoals blijkt uit tabel 3, de pseudo-tweede-orde-model is beter dan de Lagergren en Elovich modellen met R2 = 0.999 (de montage lijn in Figuur 4 d). De bovenstaande resultaten bevestigen dat de adsorptie van Cu(II) op MBAC-N chemisorptie is. Vandaar, wordt het mechanisme van de chemische interactie van Cu(II) door de gewijzigde carbon voorgesteld in Figuur 5. Tabel 4 vergelijkt de capaciteit van de adsorptie van Cu(II) door biomassa gebaseerde actieve kool gemeld in recente referenties34,35,,36,,37,38. Het komt voor dat MBAC-N een hogere capaciteit van de adsorptie dan andere adsorbents gemeld in de literatuur heeft, het als een veelbelovende absorberend voor het verwijderen van de Cu(II) aan te tonen.
Figuur 1: stikstof adsorptie/desorptie-isothermen van koolstofatomen. De inzet grafiek in Figuur 1 toont de] Thermo van stikstof, adsorptie/desorptie van MBAC-N in een kleiner ordinaat bereik. De gegevens zijn verkregen van de ondersteunende software van de oppervlak-gebied en porosimetrie analyzer. Dit cijfer is gewijzigd van Wan en Li27. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: FTIR spectra van EBAC, EBAC-N, MBAC en MBAC-N. De spectra kunnen bevestigen de chemische samenstelling en de oppervlakte functionele groepen van de monsters. Dit cijfer is gewijzigd van Wan en Li27. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3: Effect van de pH van de oplossing op Cu(II) adsorptie. De concentratie van koper in de oplossingen is 40 mg L-1. De test wordt uitgevoerd bij 25 ° C en bij 150 omwentelingen per minuut gedurende 24 uur, om het adsorptie-evenwicht bereiken. Dit cijfer is gewijzigd van Wan en Li27. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4: vertegenwoordiger adsorptie eigenschap analyse van MBAC-N. (een) dit paneel toont de Cu(II) van de adsorptie-isothermen op MBAC-N bij 5 ° C, 25 ° C en 45 ° C. (b) dit paneel toont het resultaat van de montage voor koperen adsorptie met behulp van de Langmuir] Thermo. (c) dit paneel toont de kinetiek van de Cu(II) op MBAC-N bij de oorspronkelijke concentraties van 30 mg L-1 en 100 mg L-1. (d) dit paneel toont het resultaat van de montage voor koperen adsorptie bij 25 ° C met behulp van de Pseudo-tweede-orde-model. Dit cijfer is gewijzigd van Wan en Li27. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5: mechanisme voor Cu(II) adsorptie voorgesteld door gewijzigde carbon. In dit proces reactie gaat de chemische adsorptie voornamelijk ionenwisseling en complexvormers verwijderd. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
| Adsorbents | EBAC | EBAC-N | MBAC | MBAC-N |
| Porie structuur parameters | ||||
| BET oppervlakte (m2 g−1) | 978 | 609 | 543 | 61 |
| Totale poriënvolume (cm3 g−1) | 1.22 | 0.59 | 0.68 | 0.13 |
| Mesoporous volume (cm3 g−1) | 1.09 | 0.47 | 0,58 | 0.11 |
| Bedoel porie grootte DP (nm) | 4,97 | 3.84 | 5.01 | 8,89 inch |
| Mesoporous percentage (%) | 89.52 | 80.24 | 85.32 | 84.61 |
| Elemental inhoud (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 uur | 10.33 | 20.54 |
| S | 0.11 | 0.27 | 0.16 | 0.38 |
| Rendement (%) | 53.35 | / | 57,23 | / |
Tabel 1: structurele kenmerken en elementaire composities van EBAC, EBAC-N, MBAC en MBAC-N. De textuur gegevens worden geanalyseerd met behulp van de methode BET. Het percentage van het relatieve gewicht van de elementen is berekend op basis van de droge ash-vrije basis. Deze tabel is gewijzigd van Wan en Li27.
| MBAC-N | ||||
| Thermo modellen | Parameters | 5 ° C | 25 ° C | 45 ° C |
| Langmuir | q0cal (mg g−1) | 20.82 | 24.09 | 25.97 |
| q0mea (mg g−1) | 20.23 | 23.47 | 25.12 | |
| b (L mg−1) | 0,73 | 0.51 | 0,49 | |
| R-2 | 0.999 | 0.996 | 0.995 | |
| Volgens Freundlich | KF (L mg−1) | 8.802 | 9,65 | 10.56 |
| n | 3.937 | 3.902 | 4.032 | |
| R-2 | 0.907 | 0.967 | 0.987 | |
| Temkin | EenT (L mg−1) | 29.57 | 32.3 | 49,8 |
| B (L mg−1) | 2.94 | 3.19 | 3.16 | |
| R-2 | 0.969 | 0.985 | 0.955 | |
Tabel 2: Thermo parameters van Cu(II) op MBAC-N bij verschillende temperaturen. De ingerichte parameters zijn van gelineariseerde Langmuir, Freundlich en Temkin adsorptie-modellen. Deze tabel is gewijzigd van Wan en Li27.
| MBAC-N | |||
| Kinetische modellen | Parameters | 30 mg L−1 | 100 mg L−1 |
| Lagergren | k1 (min−1) | 0.037 | 0.045 |
| R-2 | 0.714 | 0.934 | |
| qe, mea (mg g−1) | 13.39 | 22.69 | |
| Pseudo-tweede-orde | qe, cal (mg g−1) | 13,44 | 23,25 |
| k2 (g (mg min)−1) | 0.08676 | 0.03031 | |
| R-2 | 0.999 | 0.999 | |
| qe, mea (mg g−1) | 13.39 | 22.69 | |
| Elovich | ΑE (g (mg min)−1) | 379.73 | 312.25 |
| ΒE (mg g−1) | 0.738 | 0.411 | |
| R-2 | 0.799 | 0.901 | |
Tabel 3: kinetische parameters van Cu(II) op MBAC-N bij verschillende concentraties van de initiële. De ingerichte parameters zijn van gelineariseerde Lagergren, Pseudo-tweede-orde en Elovich modellen. Deze tabel is gewijzigd van Wan en Li27.
| Adsorbents | pH | qe (mg g−1) | Verwijzingen |
| Hout gebaseerde granulaire actieve kool | 5.5 | 6.016 | 34 |
| Baobab fruit shell afkomstige actieve kool | 6 | 3.0833 | 35 |
| Olive stone AC (COSAC) | 5 | 17.08 | 36 |
| Carbonfrom datum stenen geactiveerd | 5.5 | 18,68 | 37 |
| Walnut shell op basis van actieve kool | 5 | 9.3 | 38 |
| Plasma bewerkt actieve kool | 21,4 | ||
| MBAC-N | 5 | 25.12 | Deze studie |
Tabel 4: vergelijking van de capaciteit van de adsorptie van Cu(II) op verschillende adsorbents. De mogelijkheid van actieve kool te verwijderen Cu(II) wordt sterk beïnvloed door de pH van de oplossing, zodat de capaciteit van de adsorptie van de contrast koolstof biomassa gebaseerde materialen moet worden verkregen dicht bij pH 5.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In dit protocol is een van de kritische stappen de succesvolle voorbereiding van mesoporous carbon met beter fysisch-chemische eigenschappen van de one-step-aanpak, waar optimale proefomstandigheden behoeft te worden vastgesteld. Dus, in een eerdere studie28, we hebben orthogonale matrix magnetron pyrolyse experimenten uitgevoerd, gezien het effect van de verhouding van de bevruchting van bagasse en fosforzuur, pyrolyse tijd magnetron macht en droogtijd. Bovendien, grote zorg moet worden genomen in vervelende Cu (II)-adsorptie experimenten, met name wanneer de pH-waarde van de oplossing is aangepast, omdat de pH-waarde een grote invloed op Cu(II) verwijderen door actieve kool (Figuur 3 heeft). Het is noodzakelijk om te testen de feitelijke koperen concentratie van de oplossing van de4 CuSO met een gedefinieerde beginconcentratie en gebruikt deze waarde als C0 in vergelijking (1).
Een grotere specifieke oppervlakte en hogere poriënvolume van biomassa gebaseerde actieve kool kunnen worden verkregen door chemische activering. Echter afnemen de specifieke oppervlakte en totale poriënvolume beide tijdens het daaropvolgende pyrolyse en wijziging, die waarschijnlijk te wijten aan de ineenstorting en verstopping van de poriën27 is, wat resulteert in een vermindering van de capaciteit van de adsorptie. Dus is verdere werkzaamheden vereist voor het bereiden van biomassa gebaseerde mesoporous carbon met zowel een hoge oppervlakte en overvloedige functionele groepen.
Magnetron pyrolyse is geverifieerd te synthetiseren adequater biomassa gebaseerde mesoporous carbon met een hogere stikstof/zuurstof-chelaat adsorptie voor Cu(II), die veel voordelen ten opzichte van de gebruikte conventionele verwarming methoden heeft. Echter is het niet mogelijk om te controleren de momentane temperatuur nauwkeurig tijdens de pyrolyse magnetron. Biomassa is een goede magnetron absorptie materiaal, waarvan de temperatuur snel onder invloed van een magnetron toenemen kan. Toekomstige werkzaamheden moet duidelijk, om te onderzoeken hoe de pyrolyse-temperatuur van invloed is op de fysisch-chemische eigenschappen van de biomassa gebaseerde koolstof.
Een gedetailleerde beschrijving van de wijziging mechanisme valt buiten het bestek van dit artikel, maar het kan worden gevonden in eerder gepubliceerde literatuur27. Het potentiële belang van nitrificatie en vermindering van de wijziging die effectief meer N/O functionele groepen gelijktijdig op het oppervlak van koolstof monsters kan introduceren is de moeite waard waardering. Het proces van wijziging bevat echter vele experimentele stappen en het gebruik van gevaarlijke geconcentreerde sterk zuur. Een eenvoudiger en efficiënter stikstof/zuurstof wijziging methode kan worden getest en goedgekeurd in verdere studies.
We hebben aangetoond dat een milieuvriendelijke energie-efficiënte methode voor het voorbereiden van biomassa gebaseerde mesoporous koolstof door magnetron pyrolyse en dope N/O groepen gelijktijdig op de koolstof met behulp van een nitrificatie en vermindering van de route. Dergelijke N/O dual-doped actieve kool is een eigenaar van een hogere capaciteit van de adsorptie van zware metalen ionen in een waterige oplossing, die voor de sanering van het afvalwater geldt. Wij verwachten dat dit protocol voor ideeën voor de snelle bereiding van hoge-katalytisch koolstof uit biomassa door tijd te besparen, effectieve magnetron pyrolyse zorgt en in de toekomst zal worden geoptimaliseerd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
De auteurs erkennen de fundamentele middelen voor onderzoek voor de centrale universiteiten van China (No.KYZ201562), China postdoctorale wetenschap Fund (No. 2014 M 560429) en de toets onderzoek en ontwikkeling plan van de oostelijke provincie Jiangsu (nr. 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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Chen, H. Research Methods for the Biotechnology of Lignocellulose. Biotechnology of Lignocellulose: Theory and Practice. , Springer. Dordrecht, Netherlands. 403-510 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Quantachrome Autosorb-1 Series User's Guide. , Available from: http://www.umich.edu/~techserv/gasAdsorp/Autosorb-1.pdf (2007).
- Nicolet FT-IR User's Guide. , Available from: http://chemistry.unt.edu/~verbeck/LIMS/Manuals/6700_User.pdf (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
