Summary
Hier präsentieren wir ein Protokoll, um Stickstoff/Sauerstoff Dual-dotierte mesoporösen Kohlenstoff aus Biomasse durch chemische Aktivierung in verschiedenen Pyrolyse Modi gefolgt von Modifikation zu synthetisieren. Wir zeigen, dass die Mikrowelle Pyrolyse profitiert die nachträgliche Änderungsprozess gleichzeitig mehr Stickstoff und Sauerstoff Funktionsgruppen auf die Kohlenstoff einzuführen.
Abstract
Eine umweltfreundliche Technik für die Synthese von biomassebasierten mesoporösen Aktivkohle mit hohen Stickstoff- / Sauerstoff chelatisierenden Adsorption für die 600-fache vorgeschlagen. Bagasse mit Phosphorsäure imprägniert wird als der Vorläufer genutzt. Um die Vorstufe pyrolyze, zwei separate Heizung Modi verwendet werden: Mikrowelle, Pyrolyse und herkömmlichen Elektro-Heizung-Pyrolyse. Die daraus resultierende Bagasse abgeleitet Kohlenstoff Proben werden mit Nitrifikation und Verringerung der Änderung geändert. Stickstoff (N) / Sauerstoff (O) Funktionsgruppen sind gleichzeitig an der Oberfläche der Aktivkohle, Verbesserung der Adsorption von 600-fache durch Komplexbildner und Ionenaustauscher eingeführt. Charakterisierung und Kupfer Adsorption Experimente durchgeführt, um die physikalisch-chemischen Eigenschaften der vier vorbereitete Kohlenstoff Proben zu untersuchen und festzustellen, welche Heizmethode die nachträgliche Änderung für doping-N/O funktioneller Gruppen bevorzugt. Bei dieser Technik, basierend auf der Analyse von Daten der Adsorption von Stickstoff, Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie und Batch Adsorption Experimente ist erwiesen, dass Mikrowelle pyrolysiert Kohlenstoff mehr defekt-Websites hat und daher zeitsparend effektiv Mikrowelle Pyrolyse trägt mehr N/O-Arten zu den Kohlenstoff, obwohl es eine niedrigere spezifische Oberfläche führt. Diese Technik bietet einen viel versprechender Weg zur Synthese Adsorbentien mit höheren Stickstoff- und Sauerstoffgehalt und eine höhere Aufnahmekapazität von Schwermetallionen in Sanierung Abwasseranwendungen.
Introduction
Aktivkohle hat einzigartige Adsorption Eigenschaften, z. B. einer entwickelten poröse Struktur eine hohe spezifische Oberfläche und verschiedenen Oberflächen funktionellen Gruppen; Daher ist es im Wasser Behandlung oder Reinigung1,2,3,4als ein Adsorbens eingesetzt. Neben ihren körperlichen Vorzügen Aktivkohle ist kostengünstig und unschädlich für die Umwelt und ihren Rohstoff (z.B. Biomasse) ist reichlich vorhanden und leicht erhalten5,6. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Aktivkohle hängen die Grundstoffe, die in der Vorbereitung verwendet werden und über die experimentellen Bedingungen für die Aktivierung Prozess7.
Zwei Methoden werden in der Regel zur Aktivkohle vorbereiten: einem einstufigen und einen zweistufigen Ansatz8. Der Begriff One-Step Ansatz bezieht sich auf Vorstufen verkohlt und gleichzeitig während der zweistufigen Ansatz bezieht sich auf, die nacheinander aktiviert. Im Hinblick auf Energieeinsparung und Umweltschutz ist der ein-Schritt-Ansatz mehr bevorzugt für seine niedrigere Temperatur und Druck zu fordern.
Außerdem, chemische und physikalische Aktivierung werden genutzt, um die strukturellen Eigenschaften der Aktivkohle zu verbessern. Chemische Aktivierung besitzt offensichtliche Vorteile gegenüber physischen Aktivierung wegen der niedrigeren Aktivierungstemperatur, kürzere Aktivierungszeit und Kohlenstoff Mehrertrag mehr entwickelten und kontrollierbaren Porenstruktur in einem bestimmten Grad9. Es wurde getestet, dass chemische Aktivierung durch Imprägnieren Biomasse als Rohstoff mit H3PO4, ZnCl2oder andere speziellen Chemikalien, gefolgt von Pyrolyse, die Porosität der Aktivkohle zu erhöhen, weil durchgeführt werden können Lignocellulose Bestandteile der Biomasse können leicht durch eine anschließende Wärmebehandlung durch die Dehydrierung Fähigkeit, diese Chemikalien10,11entfernt. Daher chemische Aktivierung erheblich steigert die Bildung von Aktivkohle-Poren oder verbessert die adsorptive Leistung auf Verunreinigungen12. Saurer Aktivator wird bevorzugt auf H3PO4, aufgrund seiner relativ niedriger Energiebedarf, höherer Ertrag und weniger Auswirkungen auf die Umwelt-13.
Mikrowelle Pyrolyse hat die Überlegenheit in Zeitersparnis, einheitliche Innenraumheizung, Energieeffizienz und selektive Erwärmung, so dass es eine alternative Heizmethode, Synthese-Aktivkohle14,15. Verglichen mit herkömmlichen Elektroheizung, kann Mikrowelle Pyrolyse Thermo-chemische Prozesse verbessern und fördern bestimmte chemische Reaktionen16. Umfangreiche Studien haben vor kurzem fokussiert Vorbereitung Aktivkohle durch chemische Aktivierung aus Biomasse mit einstufigen Mikrowelle Pyrolyse9,17,18,19. So ist es wesentlich informativer und umweltfreundlich zur Synthese Biomasse Aktivkohle durch Mikrowellen-gestützte H3PO4 Aktivierung.
Darüber hinaus um die Adsorption Affinitäten von Aktivkohle in Richtung bestimmte Schwermetallionen zu verbessern, Änderung von Heteroatom [N, O, Schwefel (S), etc.] doping in Karbonstrukturen vorgeschlagen wurde, und dies hat sich als Methode empfiehlt sich 20,21,22,23,24,25,26. Fehlerhafte Seiten in oder am Rande einer Graphitschicht können durch Heteroatome Funktionsgruppen27generieren ersetzt werden. Daher Nitrifikation und Reduzierung der Modifikation werden verwendet, um entstehende Kohlenstoff Proben um N/O Funktionsgruppen dopen die spielen eine entscheidende Rolle bei der Koordinierung der effizient mit Heavy Metal, Komplexbildner und Ionenaustauscher28zu bilden zu ändern.
Basierend auf den Ergebnissen oben, präsentieren wir ein Protokoll, um N/O Dual-dotierte mesoporösen Kohlenstoff aus Biomasse durch chemische Aktivierung und zwei verschiedene Pyrolyse Methoden gefolgt von Modifikation zu synthetisieren. Dieses Protokoll legt fest, welche Heizmethode der anschließenden Umbau für doping der N/O funktionellen Gruppen und somit Verbesserung der Adsorption Leistung begünstigt.
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Protocol
1. Vorbereitung der Bagasse-basierte Aktivkohle
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Vorbereitung des Vorläufers Bagasse-basierte Aktivkohle
- Spülen Sie die Bagasse (gewonnen aus einer Farm in Jiangsu, China) mit entionisiertem Wasser und die Proben in einem Trockenschrank bei 100 ° C für 10 h.
- Zerquetschen Sie die getrockneten Bagasse mit einem Schleifer und Sieb das Pulver durch ein 50-Sieb.
- Platz 30 g feine Bagasse Pulver in einer 15 wt % Phosphorsäure (H3PO4) Lösung in einem Gewichtsverhältnis von 1:1 für 24 Std. trocknen die Mischung in einem Ofen bei 105 ° C für 6 h. sammeln das resultierende Produkt als Vorläufer für Bagasse-basierte Aktivkohle (BAC).
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Konventionelle elektrische Heizung Pyrolyse des Vorläufers
- 15 g des Vorläufers in ein Quarzboot und legen Sie dann das Quarzboot in ein Quarzglas Rohr eines elektrischen Ofens.
- Legen Sie die Aufheizgeschwindigkeit des Ofens bei 5 ° C min-1 , die Probe verschwelen. Wenn die Temperatur 500 ° C erreicht, halten Sie die Temperatur 90 min. lang und lassen Sie die daraus resultierenden Aktivkohle-Probe abkühlen auf Raumtemperatur in Stickstoff. Sorgen Sie für einen Stickstoff 80 mL min-1 mit einem Durchflussmesser Rotor während des gesamten Prozesses.
- Genannte und sammeln die elektrischen Ofen pyrolysiert Bagasse-basierte Aktivkohle (EBAC) in ein Becherglas und erhitzen Sie es in einem Ofen Vakuumtrocknung bei 105 ° C für 24 h.
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Mikrowelle Pyrolyse des Vorläufers
- Setzen Sie 15 g der Vorstufe in der Mikrowelle (mit einer Frequenz von 2,45 GHz).
- Legen Sie die Macht der Mikrowelle 900 W, um die Probe für 22 min. pyrolyze, und gewährleisten Sie der Stickstoff-Volumenstrom bei 20 mL min-1 mit einem Rotor-Durchflussmesser zu. Der Lufteinlass des Durchflussmessers Rotor ist mit einem Stickstoff-Zylinder mit einem Schlauch während die Steckdose mit den Lufteinlass des Mikrowellenherdes verbunden ist verbunden.
- Das daraus resultierende Carbon abkühlen auf Raumtemperatur in Stickstoff zu ermöglichen. Genannte und sammeln die Kohlenstoff-Probe in ein Becherglas und fügen Sie dann 300 mL Salzsäure (0,1 M). Rühren Sie die Mischung mit einem Magnetrührer (bei 200 u/min) für mehr als 12 h bei Raumtemperatur.
- Filtern Sie den Kohlenstoff durch Filterpapier mit Vakuumfiltration zu und spülen Sie die Probe mit entionisiertem Wasser, bis der pH-Wert des Waschwassers > 6 ist. Trocknen Sie die Mikrowelle pyrolysiert Bagasse-basierte Aktivkohle (MBAC) im Ofen Vakuumtrocknung bei 105 ° C für 24 h.
(2) Änderung des elektrischen Ofens pyrolysiert Bagasse-basierte Aktivkohle und Mikrowelle pyrolysiert Bagasse-basierte Aktivkohle
Hinweis: Die Änderung der beiden Muster wurde nach der Literatur29durchgeführt.
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Nitrifikation
- 50 mL konzentrierte Schwefelsäure und 50 mL konzentrierte Salpetersäure Säuren in ein Becherglas bei 0 ° C (im Eisbad) mischen.
Achtung: Wenn die Mischung aus konzentrierter Schwefelsäure und konzentrierter Salpetersäure gemischt wird, konzentrierte Schwefelsäure langsam konzentrierter Salpetersäure hinzugefügt und mit einem Glasstab gerührt und gekühlt in der Zeit. - 10 g EBAC/MBAC der gemischten Projektmappe hinzufügen. Verwenden Sie ein Magnetrührer, rühren Sie die Mischung für 120 min (bei 200 u/min).
- Filtern Sie die nitrifizierenden EBAC/MBAC durch Filterpapier mit Vakuumfiltration. Waschen Sie den Kohlenstoff mit entionisiertem Wasser, bis das Waschwasser pH 6 erreicht, und trocknen Sie ihn in einem Trockenschrank bei 90 ° C für 24 h.
- 50 mL konzentrierte Schwefelsäure und 50 mL konzentrierte Salpetersäure Säuren in ein Becherglas bei 0 ° C (im Eisbad) mischen.
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Reduktive Modifikation
- Fügen Sie in einem drei-necked Kolben 5,05 g des entstehenden Produkts, 50 mL entionisiertem Wasser und 20 mL Ammoniak-Lösung (15 M hinzu). Rühren Sie diese Mischung für 15 min mit einem Magnetrührer (bei 200 u/min), dann fügen Sie 28 g Na2S2O4, und lassen Sie die Mischung unter ständigem Rühren bei Raumtemperatur für 20 h.
- Passt einen Reflux-Kondensator in den Kolben und die Mischung warm bis zu 100 ° C mit einem Ölbad. Die Flasche 120 mL CH3COOH (2,9 M) hinzu und lassen Sie die Mischung für 5 h mit einem Magnetrührer (bei 200 u/min) unter Rückfluss gerührt.
- Entfernen Sie das Ölbad um die Lösung auf Raumtemperatur abkühlen lassen. Filtern der Kohlenstoff-Probe und waschen Sie es mit entionisiertem Wasser, bis die Lösung pH > 6. Trocken Sie die modifizierte EBAC/MBAC bei 90 ° C und bezeichnen sie als "EBAC-N/MBAC-N".
(3) Adsorbens Charakterisierung
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Strukturelle c haracterization — Stickstoff Adsorption/Desorption isothermen
- Wiegen Sie eine leere Probenröhrchen. Das Probenröhrchen eine Kohlenstoff-Probe (~0.15 g) hinzufügen.
- Die Probe bei 110 ° C für 5 h in einem Vakuum entgast. Wiegen Sie das Probenröhrchen, die Kohlenstoff enthalten. Berechnen Sie das Gewicht der Probe Kohlenstoff.
- Installieren Sie das Probenröhrchen in den Testbereich von der Oberfläche und Porosimetrie Analyzer mit flüssigem Stickstoff bei-196 ° C30messen.
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Chemische Charakterisierung — Fourier-Transformation Infrarot-Spektroskopie
- Überprüfen Sie die Temperatur und Hygrometer und beobachten, ob die Umgebung die Anforderungen erfüllt: die Temperatur sollte 16-25 ° C und die Relative Luftfeuchtigkeit 20 % - 50 %.
- Entfernen Sie das Trockenmittel und Staubschutz Muster vorrätig.
- Trocknen Sie die Carbon Probe und Kalium Bromid bei 110 ° C für 4 h, die Wirkung des Wassers auf dem Spektrum zu vermeiden. Mischen Sie die Kohlenstoff-Probe mit Kalium Brom und dann verwenden Sie einen Presse-Mechanismus, um die zu untersuchende Probe vorzubereiten.
- Setzen Sie die Probe im Testbereich und stellen Sie die Parameter der Software.
- Speichern Sie die Spektren und Herausnehmen der Probenmaterials. Führen Sie eine erforderliche Datenverarbeitung für die Spektren-31.
(4) Cu (II)-Adsorption Experimente
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Adsorption isotherm
- Platzieren Sie 0,05 g des Adsorbens aller die konischen Kolben, die 25 mL einer CuSO4 Lösung (pH 5) mit einem ausgewählten Ausgangskonzentration (10, 20, 30, 40, 50, 60, 80 und 100 mg L-1) enthalten. Verwenden Sie eine 0,1 M Druckaufschluss3 und 0,1 M NaOH-Lösung zur Einstellung des pH-Wertes von jedem Kupferlösung.
Hinweis: Eine Lösung mit der ausgewählten Ausgangskonzentration wird durch eine 1 g L-1 CuSO4 -Lösung verdünnt das eines gelösten 3,90625 g Blue Vitriol solide mit der Vase mit einem Volumen von 1.000 mL besteht. - Deckel auf den konischen Kolben passen und steckte sie in eine thermostatische Orbitalschüttler (mit einer mitreißenden Geschwindigkeit von 150 u/min) bei 5 ° C/25 ° C/45 ° C für 240 min.
- Verwenden Sie 0,22-μm-Membranfilter der Adsorbentien aus der Lösung zu trennen.
- Verwenden Sie eine Flamme Atomabsorption Spektralphotometrie um die Kupferkonzentration das Filtrat zu bestimmen.
Hinweis: Alle Versuche wurden durchgeführt in dreifacher Ausfertigung und die Daten wurden gemittelt. Die Aufnahmekapazität für 600-fache, Qe, wurde wie folgt berechnet:
(1)
Hier,
C0 = Kupfer Ausgangskonzentration (mg L-1),
Ce = Endkonzentration (mg L-1),
V = Volumen der Lösung und
m = das Gewicht der einzelnen Adsorbens (g).
- Platzieren Sie 0,05 g des Adsorbens aller die konischen Kolben, die 25 mL einer CuSO4 Lösung (pH 5) mit einem ausgewählten Ausgangskonzentration (10, 20, 30, 40, 50, 60, 80 und 100 mg L-1) enthalten. Verwenden Sie eine 0,1 M Druckaufschluss3 und 0,1 M NaOH-Lösung zur Einstellung des pH-Wertes von jedem Kupferlösung.
-
Einfluss des pH-Wertes
- Platzieren Sie 0,05 g des Adsorbens aller konische Flaschen, die 25 mL einer CuSO4 Lösung (40 mg L-1) mit einem ausgewählten anfänglichen pH (2, 3, 4, 5, 6 und 7) enthalten.
- Deckel auf den konischen Kolben passen und steckte sie in eine thermostatische Orbitalschüttler (mit einer mitreißenden Geschwindigkeit von 150 u/min) bei 25 ° C für 24 h, Adsorption Gleichgewichtsbedingungen zu erreichen.
- Wiederholen Sie Schritt 4.1.3-4.1.4.
-
Adsorption-Kinetik
- Statt 0,25 g des Adsorbens in ein Becherglas enthält 125 mL einer CuSO4 Lösung (30 mg L-1 oder 100 mg L-1, pH 5) in einem 25 ° C-Wasserbad mit magnetischen rühren (bei 200 u/min).
- Verwenden Sie Pipetten 5 mL der Lösung zu zeichnen, wenn die Kontaktzeit 0,5, 1, 2,5, 5, 10, 30, 60, 120 und 180 min erreicht.
- Wiederholen Sie Schritt 4.1.3-4.1.4.
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Representative Results
Stickstoff Adsorption/Desorption isothermen von vier Proben sind in Abbildung 1dargestellt. Alle Adsorption isothermen zeigen eine rasche Zunahme in niedrigen P/P-0 -Region und diese isothermen gehören zum Typ IV (IUPAC-Klassifikation) demonstrieren ihre Porenstruktur, die Mikroporen und dominante Mesopores32besteht.
Die Oberfläche physikalischen Parameter für alle Proben aus dem Stickstoff Adsorption isothermen sind in Tabelle 1dargestellt. Mikrowelle Pyrolyse und Modifikation, die beide tragen zu einer kleineren Brunauer, Emmett-Teller (BET) Fläche und insgesamt pore Volume, ändern die physische Morphologie der Proben.
Fourier Transformations Infrarot (FTIR) Spektren der vier Proben sind in Abbildung 2angegeben. Bands von MBAC bei 1167 cm-1 [Kohlenstoff (C) - O stretching Vibration] 1620 cm-1 (C = O stretching Vibration), 2852 cm-1 [N - Wasserstoff (H) stretching Vibration], 2922 cm-1 (C - H stretching Vibration) und 3442 cm-1 (O - H Stretching Vibration) sind intensiver als EBAC. Diese können in der Mikrowelle Pyrolyse einen Beitrag mehr Sauerstoff-Funktionsgruppen, die BAC-Oberfläche zurückgeführt werden. Für EBAC-N und MBAC-N, Bänder um 1573 cm-1 und 1400 cm-1 wahrscheinlich C repräsentieren = N und N - H-Gruppen, beziehungsweise. Finden Sie, dass die modifizierte Kohlenstoffmaterialien unterschiedliche Stickstoff/Sauerstoff Funktionsgruppen erhalten haben, und das Mikrowelle pyrolysiert Carbon mehr bekommt, die die Elementaranalyse entspricht, wie in Tabelle 1dargestellt. Es kann spekuliert werden, dass diese Mikrowelle Pyrolyse besser geeignet, die Vorstufe und die Laien Wurzel für weitere Änderungen als herkömmliche elektrische Heizung Pyrolyse zu aktivieren ist. MBAC-N besitzt vor allem Imin, Hydroxyl und Carboxylgruppen, amino, funktionellen Gruppen.
Abbildung 3 zeigt die Aufnahmekapazität der vier Proben unter verschiedenen pH-Bedingungen. Die vier Adsorbentien erreichen die optimale Aufnahmekapazität bei pH 5, so die folgenden Adsorption Experimente alle bei pH 5 durchgeführt werden. Die Proben vorbereitet durch Mikrowelle Pyrolyse ausgestellt besser 600-fache Aufnahmekapazität vor und nach der Änderung, obwohl sie eine spezifische Oberfläche Bereich und Pore leiser hatten. Im Allgemeinen hängt die Adsorbierbarkeit von Adsorbentien auf die Pore Struktur und Oberfläche Funktionsgruppen. Daher ist die hohe Aufnahmekapazität von MBAC-N reichlicher N/O Oberflächengruppen zugeschrieben. Die Ergebnisse bestätigen, dass die Mikrowelle Pyrolyse die Follow-up-Einführung der Oberfläche Funktionsgruppen profitiert, die Aufnahmekapazität von mehr als elektrische Heizung Pyrolyse zu verbessern.
Die Adsorption isothermen MBAC-n auf 600-fache bei 5 ° C, 25 ° C und 45 ° C sind in Abbildung 4adargestellt. Die Adsorption Eigenschaften der Proben für die 600-fache werden besser, wenn die Temperatur steigt. Durch den Vergleich der Isotherm-Parameter in Tabelle 2, ist es klar, dass die Langmuir-Isotherme-Modell eine höhere lineare Korrelationskoeffizient (R2) gibt an, welche über 0,99 (die passende Zeile in Abbildung 4 b) und der gemessenen Adsorption ist Kapazität (Q0Mea) ist identisch mit der berechnete man (Q0cal). Daher ist das Modell besser geeignet als die Freundlich und Temkin Isotherm-Modelle, die angibt, dass die Absorption von 600-fache eine chemische Adsorption Prozess33ist.
Wie in Abbildung 4 cgezeigt, MBAC-N erreichen etwa 75 % der Aufnahmekapazität 600-fache Gleichgewicht innerhalb von 15 Minuten, und es kann fast das Gleichgewicht der Adsorption der 600-fache in ca. 50 min bei verschiedenen anfängliche Konzentrationen erreichen. Diese beweisen, dass MBAC-N gute Adsorption Eigenschaften hat. Wie aus Tabelle 3ersichtlich, das pseudo zweiter Ordnung Modell ist besser als die Lagergren und Elovich Modelle mit R2 = 0,999 (die passende Zeile in Abbildung 4 d). Die oben genannten Ergebnisse bestätigen, dass die Adsorption von 600-fache MBAC-n Chemisorption. Daher wird die chemische Wechselwirkung Mechanismus der 600-fache von der modifizierten Kohlenstoff in Abbildung 5vorgeschlagen. Tabelle 4 vergleicht die Aufnahmekapazität des 600-fache durch Biomasse Aktivkohle, die in den letzten Referenzen34,35,36,37,38berichtet. Es wird festgestellt, dass MBAC-N eine höhere Aufnahmekapazität als andere Adsorbentien in der Literatur beschrieben als eine vielversprechende Adsorptionsmittel zur Entfernung von 600-fache demonstrieren.
Abbildung 1: Stickstoff Adsorption/Desorption isothermen der Kohlenstoffe. Einschub-Diagramm in Abbildung 1 zeigt die Stickstoff Adsorption/Desorption Isotherme MBAC-n in einen kleineren Bereich der ordinate. Die Daten wurden von der unterstützenden Software-Oberfläche und Porosimetrie Analyzer erhalten. Diese Zahl wurde von Wan und Li27geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2: FTIR-Spektren von EBAC, EBAC-N und MBAC, MBAC-N. Die Spektren können die chemische Zusammensetzung und Oberfläche Funktionsgruppen der Proben bestätigen. Diese Zahl wurde von Wan und Li27geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3: Wirkung der Lösung pH auf 600-fache Adsorption. Die Konzentration von Kupfer in den Lösungen ist 40 mg L-1. Der Test erfolgt bei 25 ° C und bei 150 u/min für 24 h, um Adsorption Gleichgewicht zu erreichen. Diese Zahl wurde von Wan und Li27geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4: repräsentative Adsorption Immobilien-Analyse von MBAC-N. (ein) zeigt dieses Fenster die Adsorption isothermen von 600-fache auf MBAC-N bei 5 ° C, 25 ° C und 45 ° C. (b) dieses Panel zeigt das passende Ergebnis für Kupfer Adsorption mithilfe der Langmuir-Isotherme. (c) zeigt dieses Fenster die Kinetik der 600-fache auf MBAC-N bei der anfängliche Konzentrationen von 30 mg L-1 und 100 mg L-1. (d) dieses Panel zeigt das passende Ergebnis für Kupfer Adsorption bei 25 ° C mithilfe des Modells Pseudo zweiter Ordnung. Diese Zahl wurde von Wan und Li27geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5: Mechanismus für die 600-fache Adsorption von modifizierten Kohlenstoff vorgeschlagen. In diesem Prozess Reaktion beinhaltet die chemische Adsorption hauptsächlich Ionenaustausch und Komplexbildner. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
| Adsorbentien | EBAC | EBAC-N | MBAC | MBAC-N |
| Pore-Struktur-Parameter | ||||
| BET-Oberfläche (m2 g−1) | 978 | 609 | 543 | 61 |
| Totale Porenvolumen (cm3 g−1) | 1.22 | 0,59 | 0,68 | 0.13 |
| Mesoporösen Volumen (cm3 g−1) | 1.09 | 0,47 | 0,58 | 0,11 |
| Meine Porengröße DP (nm) | 4.97 | 3.84 | 5.01 | 8,89 |
| Mesoporösen (in%) | 89.52 | 80,24 | 85.32 | 84.61 |
| Elementare Inhalte (Gew.-%) | ||||
| 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 Uhr | 10,33 | 20,54 |
| S | 0,11 | 0,27 | 0,16 | 0,38 |
| Rendite (%) | 53.35 | / | 57.23 | / |
Tabelle 1: Strukturmerkmale und elementare Kompositionen von EBAC, EBAC-N, MBAC und MBAC-N. Die strukturellen Daten werden analysiert, mit der Wette-Methode. Der relative Gewichtsanteil der Elemente errechnet sich die trockenen aschefreie Basis. Diese Tabelle wurde von Wan und Li27geändert.
| MBAC-N | ||||
| Isotherm-Modelle | Parameter | 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 | |
| R2 | 0,999 | 0.996 | 0.995 | |
| Freundlich | KF (L mg−1) | 8.802 | 9.65 | 10.56 |
| n | 3.937 | 3.902 | 4.032 | |
| R2 | 0.907 | 0.967 | 0,987 | |
| Temkin | EinT (L mg−1) | 29.57 | 32.3 | 49,8 |
| B (L mg−1) | 2.94 | 3.19 | 3.16 | |
| R2 | 0,969 | 0.985 | 0.955 | |
Tabelle 2: Isotherme Parameter der 600-fache MBAC-n bei unterschiedlichen Temperaturen. Die angepassten Parameter sind aus linearisierten Langmuir, Freundlich und Temkin Adsorption-Modelle. Diese Tabelle wurde von Wan und Li27geändert.
| MBAC-N | |||
| Kinetische Modelle | Parameter | 30 mg L−1 | 100 mg L−1 |
| Lagergren | k1 (min−1) | 0,037 | 0,045 |
| R2 | 0.714 | 0.934 | |
| Qe, Mea (mg g−1) | 13,39 | 22.69 | |
| Pseudo zweiter Ordnung | Qe, cal (mg g−1) | 13.44 | 23,25 |
| k2 (g (mg min)−1) | 0.08676 | 0.03031 | |
| R2 | 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 | |
| R2 | 0.799 | 0.901 | |
Tabelle 3: kinetische Parameter der 600-fache MBAC-n bei verschiedenen anfängliche Konzentrationen. Die angepassten Parameter sind aus linearisierten Lagergren Pseudo zweiter Ordnung und Elovich Modelle. Diese Tabelle wurde von Wan und Li27geändert.
| Adsorbentien | pH | Qe (mg g−1) | Referenzen |
| Holzwerkstoff-körnige Aktivkohle | 5.5 | 6.016 | 34 |
| Baobab-Frucht Schale abgeleitet Aktivkohle | 6 | 3.0833 | 35 |
| Olive Stein AC (COSAC) | 5 | 17.08 | 36 |
| Aktivierte Carbonfrom Datum Steinen | 5.5 | 18.68 | 37 |
| Walnuss Shell-basiertes Aktivkohle | 5 | 9.3 | 38 |
| Plasma modifiziert Aktivkohle | 21.4 | ||
| MBAC-N | 5 | 25.12 | Diese Studie |
Tabelle 4: Vergleich der Aufnahmekapazität der 600-fache auf verschiedenen Adsorbentien. Die Fähigkeit von Aktivkohle, 600-fache entfernen wird wesentlich beeinflusst durch den pH-Wert der Lösung, so dass die Aufnahmekapazität der Kontrast biomassebasierten Carbonmaterialien sollte, in der Nähe von pH 5 erhalten werden.
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Discussion
In diesem Protokoll ist einer der kritischen Schritte die erfolgreiche Vorbereitung mesoporösen Kohlenstoff mit besseren physikalisch-chemischen Eigenschaften der ein-Schritt-Ansatz, wo optimale Versuchsbedingungen müssen ermittelt werden. Also, in einer früheren Studie28, wir haben orthogonalen Array Mikrowelle Pyrolyse Experimente durchgeführt Berücksichtigung der Auswirkungen des Verhältnisses Imprägnierung der Bagasse und Phosphorsäure, Pyrolyse Zeit, Mikrowelle macht und Trocknungszeit. Außerdem große muss darauf geachtet werden in langwierigen Cu (II)-Adsorption Experimente, vor allem, wenn der pH-Wert der Lösung angepasst ist, da der pH-Wert einen großen Einfluss auf 600-fache Entfernung durch Aktivkohle (Abbildung 3 hat). Es ist zwingend notwendig, um die tatsächliche Kupferkonzentration der CuSO4 Lösung mit einer definierten Ausgangskonzentration testen und verwenden Sie diesen Wert als C0 in Gleichung (1).
Eine größere spezifische Oberfläche und höhere Porenvolumen von biomassebasierten Aktivkohle erhalten Sie durch chemische Aktivierung. Jedoch verringern sich die spezifische Oberfläche und Porenvolumen insgesamt während des anschließenden Pyrolyse und Änderung, die wahrscheinlich durch den Zusammenbruch und die Verstopfung der Poren27, was zu einer Verringerung der Aufnahmekapazität. Daher ist weitere Arbeiten erforderlich biomassebasierten mesoporösen Carbon mit einer hohen Fläche und reichlich Funktionsgruppen vorzubereiten.
Mikrowelle Pyrolyse wird überprüft, um mehr ausreichend Biomasse mesoporösen Carbon mit einer höheren Stickstoff/Sauerstoff-chelatisierenden Adsorption für 600-fache, synthetisieren, das hat viele Vorteile gegenüber verbreiteten konventionellen Heizmethoden. Es ist jedoch nicht möglich, die momentane Temperatur genau zu steuern, während die Mikrowelle Pyrolyse-Verfahren. Biomasse ist eine gute Mikrowelle Absorptionsmaterial, deren Temperatur unter der Wirkung der Mikrowelle schnell erhöhen kann. Zukünftige Arbeit muss natürlich prüfen, wie die Pyrolyse Temperatur wirkt sich auf die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Biomasse-Kohlenstoff.
Eine detaillierte Beschreibung des Mechanismus der Modifikation sprengt den Rahmen dieses Artikels, aber es finden Sie im zuvor veröffentlichten Literatur27. Die mögliche Bedeutung der Nitrifikation und Verringerung der Modifikation, die effektiv mehr N/O funktionelle Gruppen gleichzeitig auf der Oberfläche des Kohlenstoff-Proben vorstellen kann ist Wert zu schätzen. Der Änderungsprozess enthält jedoch zahlreiche experimentelle Schritte und die Nutzung der gefährlichen konzentrierte starke Säure. Eine einfachere und wirksamere Stickstoff/Sauerstoff-Änderung-Methode kann getestet und in weiteren Studien angenommen werden.
Wir haben gezeigt, eine umweltfreundliche Energie-effiziente Verfahren zur Herstellung von biomassebasierten mesoporösen Kohlenstoff durch Mikrowelle Pyrolyse und dotieren N/O Gruppen gleichzeitig auf der Kohlenstoff über eine Nitrifikation und Verringerung der Route. So N/O Dual-dotierte Aktivkohle besitzt eine höhere Aufnahmekapazität von Schwermetall Ionen in wässriger Lösung, der für Abwasser Remediation anwendbar ist. Wir erwarten, dass dieses Protokoll Ideen für die schnelle Zubereitung von hoher adsorptiven Kohlenstoff aus Biomasse durch zeitsparende, effektive Mikrowelle Pyrolyse bietet und in Zukunft optimiert werden wird.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Die Autoren erkennen die grundlegenden Forschungsmittel für die zentralen Universitäten Chinas (No.KYZ201562), China Postdoctoral Wissenschaftsfonds (Nr. 2014 M 560429) und der Schlüssel Forschung und Entwicklung Plan der Provinz 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).
