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Préparation de base de biomasse mésoporeux carbone avec azote supérieur-/ Adsorption chélateurs de l’oxygène pour cu (ii) par le biais de micro-ondes pyrolyse pré

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DOI :

10.3791/58161

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12 février 2019

 , 
1College of Engineering, Nanjing Agricultural University

Dans cet article

Résumé

Nous présentons ici un protocole pour faire la synthèse de carbone mésoporeux dopé au double azote/oxygène provenant de la biomasse par activation chimique en modes différents pyrolyse suivie de modification. Nous démontrons que la pyrolyse du four à micro-ondes profite du processus de modification ultérieure pour introduire simultanément plus d’azote et d’oxygène des groupes fonctionnels sur le carbone.

Résumé

Une technique respectueuse de l’environnement pour la synthèse mésoporeux à base de biomasse charbon actif avec azote haute- / adsorption chélateurs de l’oxygène pour cu (ii) est proposée. Bagasse imprégnée d’acide phosphorique est utilisé comme précurseur. Pour la pyrolyse du précurseur, deux modes de chauffage séparé sont utilisés : micro-ondes pyrolyse et pyrolyse conventionnelle de chauffage électrique. Les échantillons de carbone dérivé de bagasse qui en résultent sont modifiées avec modification de nitrification et de réduction. Azote (N) / groupes fonctionnels de l’oxygène (O) sont introduits simultanément à la surface du charbon actif, améliorant son adsorption du cu (ii) par complexation et échange d’ions. Caractérisation et cuivre adsorption des expériences sont effectuées pour enquêter sur les propriétés physico-chimiques des quatre échantillons de carbone préparés et déterminer quelle méthode de chauffage favorise la modification ultérieure pour dopage des groupes fonctionnels N/O. Dans cette technique, basée sur l’analyse des données de l’adsorption d’azote, spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et des expériences d’adsorption par lots, il est prouvé que micro-ondes-pyrolyse carbone a plusieurs sites de défaut et, par conséquent, gagner du temps en vigueur micro-ondes pyrolyse contribue plus d’espèces N/O au carbone, même si elle conduit à une surface spécifique plus faible. Cette technique offre une piste prometteuse d’adsorbants de synthèse avec l’azote plus élevée et la teneur en oxygène et une plus grande capacité d’adsorption des ions de métaux lourds dans les applications d’assainissement des eaux usées.

Introduction

Charbon actif possède des propriétés d’absorption uniques, comme une structure poreuse développée, une surface spécifique élevée et les divers groupes fonctionnels surfaces ; par conséquent, il est employé comme adsorbant dans eau traitement ou purification1,2,3,4. Outre ses avantages physiques, charbon actif est rentable et sans danger pour l’environnement et ses matières premières (par exemple, la biomasse) est abondante et facilement obtenu5,6. Les propriétés physico-chimiques du charbon actif dépendent les précurseurs utilisés dans la préparation et les conditions expérimentales de l’activation de processus7.

Deux méthodes sont généralement utilisées pour préparer le charbon actif : une seule étape et un en deux étapes approche8. L’approche d’une étape de terme se réfère à précurseurs étant carbonisé et activés simultanément, alors que l’approche en deux étapes qui désigne dans l’ordre. Compte tenu des économies d’énergie et protection de l’environnement, l’approche d’une étape est plus préféré pour sa plus basse température et pression exigeant.

En outre, activation chimique et physique sont utilisées pour améliorer les propriétés texturales de charbon actif. Activation chimique possède des avantages apparents au cours de l’activation physique en raison de sa température de déclenchement inférieur plus court temps d’activation, rendement de carbone plus élevé et plus structure de pores développés et contrôlables dans une certaine mesure9. Il a été testé qu’activation chimique peut être effectuée par imprégnation la biomasse utilisée comme matière première avec H3PO4, ZnCl2ou autres produits chimiques spécifiques, suivis par pyrolyse à augmenter la porosité du charbon actif, parce que des composants de la biomasse ligno-cellulosiques s’éliminent facilement par un traitement de chauffage subséquent, en raison de la capacité de déshydrogénation de ces produits chimiques10,11. Dès lors, activation chimique grandement favorise la formation de pores du charbon actif ou améliore les performances d’adsorption de contaminants12. Un activateur acide est préféré à H3PO4, en raison de sa demande d’énergie relativement faible, un rendement plus élevé et moins d’impact sur l’environnement13.

Four à micro-ondes pyrolyse a la supériorité dans les économies de temps, chauffage intérieur uniforme, l’efficacité énergétique et chauffage sélectif, ce qui en fait une méthode de chauffage alternative carbone activé par synthèse14,15. Par rapport à un chauffage électrique conventionnel, micro-ondes pyrolyse peut améliorer les processus thermochimiques et favoriser certaines réactions chimiques16. Récemment, des études approfondies ont mis l’accent sur la préparation des charbons par activation chimique de la biomasse en utilisant une étape micro-ondes pyrolyse9,17,18,19. Ainsi, il est considérablement instructif et respectueux de l’environnement de synthèse basé sur la biomasse charbon actif en activant l’assistée par micro-ondes H3PO4 .

En outre, pour améliorer les affinités d’adsorption du charbon vers les ions de métaux lourds spécifiques, modification par hétéroatome [N, O, soufre (S), etc.] dopage dans des structures de carbone a été proposée, et cela s’est avéré une méthode souhaitable 20,21,22,23,24,25,26. Les sites défectueux dans ou sur les bords d’une couche de graphite peuvent être remplacés par hétéroatomes pour générer des groupes fonctionnels27. Par conséquent, modification de nitrification et de réduction servent à modifier les échantillons de carbone qui en résulte pour la "dope" Gonzalez N/O des groupes fonctionnels qui jouent un rôle crucial dans la coordination efficace avec métaux lourds pour former complexants et échange d’ions28.

D’après ce qui précède, nous présentons un protocole visant à synthétiser carbone mésoporeux dopé au double N/O de la biomasse par activation chimique et deux méthodes différentes de pyrolyse suivis par modification. Ce protocole détermine également quel méthode de chauffage favorise la modification qui s’ensuivie pour dopage des groupes fonctionnels N/O et, ainsi, améliorer la performance de l’adsorption.

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Protocole

1. préparation du charbon actif axée sur la Bagasse

  1. Préparation du précurseur pour axée sur la bagasse charbon actif
    1. Rincer la bagasse (obtenue sur une ferme dans la province de Jiangsu, Chine) avec de l’eau désionisée et placer les échantillons dans une étuve à 100 ° C pendant 10 h.
    2. Écraser la bagasse sèche avec une meuleuse et tamisez la poudre à travers un tamis de maille 50.
    3. Place 30 g de poudre de bagasse fine dans une solution de l’acide phosphorique (H3PO4) wt % 15 dans un ratio de 1:1 en poids pendant 24 h. sécher le mélange dans une étuve à 105 ° C pour 6 h. recueillir le produit qui en résulte comme le précurseur de bagasse-basé de charbon actif (cab).
  2. Pyrolyse de chauffage électrique conventionnelle du précurseur
    1. Mettre 15 g du précurseur dans un bateau de quartz, puis insérez le bateau de quartz dans un tube en verre de quartz d’un four électrique.
    2. Fixer le taux de chauffage du four à 5 ° C min-1 à carboniser l’échantillon. Lorsque la température atteint 500 ° C, maintenir la température pendant 90 min et ensuite laisser l’échantillon de charbon actif qui en résulte se refroidir à température ambiante dans l’azote. Assurer un flux d’azote de 80 mL min-1 avec un débitmètre à rotor pendant l’ensemble du processus.
    3. Triturer et recueillent le four électrique-pyrolyse axée sur la bagasse charbon (EBAC) dans un bécher et puis chauffer dans un four de séchage sous vide à 105 ° C pendant 24 h.
  3. Four à micro-ondes pyrolyse du précurseur
    1. Mettre 15 g du précurseur dans un four à micro-ondes (avec une fréquence de 2,45 GHz).
    2. Régler la puissance du four à micro-ondes à 900 W à pyrolyse l’échantillon pendant 22 min et d’assurer le débit d’azote à 20 mL min-1 avec un débitmètre à rotor. L’entrée d’air du débitmètre du rotor est reliée à une bouteille d’azote à l’aide d’un tuyau, alors que la sortie est reliée à l’entrée d’air du four à micro-ondes.
    3. Permettre le carbone qui en résulte se refroidir à température ambiante dans l’azote. Triturer et recueillir les échantillons de carbone dans un bécher et puis ajouter 300 mL d’acide chlorhydrique (0,1 M). Agiter le mélange avec un agitateur magnétique (à 200 tr/min) pendant plus de 12 h à température ambiante.
    4. Le carbone par le filtre papier avec filtration sous vide et les rincer l’échantillon avec de l’eau désionisée jusqu'à ce que la valeur du pH de l’eau de lavage est > 6. Sécher le micro-ondes-pyrolyse axée sur la bagasse charbon (NGC) dans un four de séchage sous vide à 105 ° C pendant 24 h.

2. modification du four électrique-pyrolyse-base de Bagasse charbon et micro-ondes-pyrolyse axée sur la Bagasse charbon actif

Note : La modification des deux échantillons a été effectuée selon la littérature29.

  1. Nitrification
    1. Mélanger 50 mL de concentré acide sulfurique et 50 mL d’acides nitrique concentrés dans un Becher à 0 ° C (dans un bain de glace).
      Attention : Lorsque le mélange de l’acide sulfurique concentré et acide nitrique concentré est mixte, l’acide sulfurique concentré devrait être lentement ajouté à l’acide nitrique concentré et remué avec une baguette de verre et refroidi dans le temps.
    2. Ajouter 10 g de EBAC/NGC dans la mélange de la solution. Utiliser un agitateur magnétique à remuer le mélange pendant 120 min (à 200 tr/min).
    3. Filtrer le nettoyages EBAC/NGC en papier filtre avec filtration sous vide. Laver le carbone à l’eau désionisée jusqu'à ce que l’eau atteigne pH 6 et puis sécher dans une étuve à 90 ° C pendant 24 h.
  2. Modification réductrice
    1. Dans un ballon à col trois, ajoutez les 5,05 g du produit qui en résulte, 50 mL d’eau désionisée et 20 mL de solution d’ammoniaque (15 M). Incorporer ce mélange pendant 15 min avec un agitateur magnétique (à 200 tr/min), puis ajouter 28 g de Na2S2O4et laisser le mélange en remuant à température ambiante pendant 20 h.
    2. Adapter un réfrigérant à reflux à la fiole et chauffer le mélange jusqu'à 100 ° C à l’aide d’un bain d’huile. Ajouter 120 mL de CH3COOH (2,9 M) dans la fiole et laisser le mélange de remuer pendant 5 h avec un agitateur magnétique (à 200 tr/min) au reflux.
    3. Retirer le bain d’huile pour permettre à la solution refroidir à température ambiante. Filtrer l’échantillon de carbone et lavez-le à l’eau désionisée jusqu'à la solution pH > 6. Sécher l’EBAC/NGC modifié à 90 ° C et il désigne comme « EBAC-N/NGC-N ».

3. adsorbante caractérisation

  1. Structurels c haracterization — Isothermes d’adsorption/désorption azote
    1. Peser un tube échantillon vide. Ajouter un échantillon de carbone (~0.15 g) dans le tube d’échantillon.
    2. Une solution contenant l’échantillon à 110 ° C pendant 5 h dans le vide. Peser le tube à essais contenant du carbone. Calculer le poids de l’échantillon de carbone.
    3. Installer le tube échantillon dans la zone de test de l’analyseur de surface-surface et porosimétrie utilisant de l’azote liquide à mesurer à-196 ° C,30.
  2. Caractérisation chimique — Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier
    1. Vérifier la température et l’hygromètre et observer si l’environnement répond aux exigences : la température doit être 16-25 ° C et l’humidité relative 20 % - 50 %.
    2. Retirez le déshydratant et le capuchon anti-poussière dans l’entrepôt de l’échantillon.
    3. Sécher l’échantillon de carbone et le bromure de potassium à 110 ° C pendant 4 h éviter l’effet de l’eau sur le spectre. Mélanger l’échantillon de carbone avec le bromure de potassium, puis utilisez un mécanisme de presse pour préparer l’échantillon de test.
    4. Placer l’échantillon dans la zone d’essai et réglez les paramètres du logiciel.
    5. Enregistrer les spectres et retirer l’échantillon. Effectuer un traitement de données requis pour les spectres31.

4. Cu (II)-expériences de l’adsorption

  1. Isotherme d’adsorption
    1. Placer 0,05 g d’adsorbant dans chacune des fioles coniques, qui contiennent 25 mL d’une solution de4 CuSO (pH 5) avec une concentration initiale sélectionnée (10, 20, 30, 40, 50, 60, 80 et 100 mg L-1). Utiliser un 0,1 M HNO3 et la solution de NaOH 0,1 M pour ajuster le pH de chaque solution de cuivre.
      Remarque : Une solution dont la concentration initiale sélectionnée est diluée 1 g L-1 CuSO4 solution, qui est composé d’un g 3,90625 dissous du vitriol bleu solide à l’aide de la vase avec un volume de 1 000 mL.
    2. Monter les couvercles sur les fioles coniques et mettez-les dans un agitateur orbital thermostatique (avec un taux d’agitation de 150 tr/min) à 25 ° C/5 ° C/45 ° C à 240 min.
    3. Utiliser 0,22 μm membranes filtrantes pour séparer les adsorbants de la solution.
    4. Utilisez une spectrophotométrie d’absorption atomique de flamme pour déterminer la concentration de cuivre du filtrat.
      Remarque : Toutes les expériences ont été menées en triple exemplaire, et les données étaient en moyenne. La capacité d’adsorption de CU (ii), qe, a été calculée comme suit :
      figure-protocol-1(1)
      Ici,
      C0 = la concentration initiale de cuivre (mg L-1),
      Ce = la concentration finale (mg L-1),
      V = le volume de la solution, et
      m = la masse de chaque adsorbant (g).
  2. Influence du pH
    1. Placez 0,05 g d’adsorbant dans chacun des fioles coniques, qui contiennent 25 mL d’une solution de4 CuSO (40 mg L-1) avec un pH initial sélectionné (2, 3, 4, 5, 6 et 7).
    2. Monter les couvercles sur les fioles coniques et mettez-les dans un agitateur orbital thermostatique (avec un taux d’agitation de 150 tr/min) à 25 ° C pendant 24 h atteindre les conditions de l’équilibre d’adsorption.
    3. Répétez l’étape 4.1.3-4.1.4.
  3. Cinétique d’adsorption
    1. Place de 0,25 g d’adsorbant dans un bécher contenant 125 mL d’une solution de CuSO4 (30 mg L-1 ou 100 mg L-1, pH 5) dans un bain d’eau de 25 ° C avec magnétique en remuant (à 200 tr/min).
    2. Utilisez les pipettes dessiner 5 mL de la solution lorsque le temps de contact atteint 0,5, 1, 2.5, 5, 10, 30, 60, 120 et 180 min.
    3. Répétez l’étape 4.1.3-4.1.4.

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Résultats

Isothermes d’adsorption/désorption azote de quatre échantillons sont présentées dans la Figure 1. Toutes les isothermes d’adsorption montrent une augmentation rapide dans la basse région de0 P/P et ces isothermes appartiennent au type IV (classification de l’IUPAC) démontrant leur structure de pores qui se compose de micropores et dominante mesures32.

Les paramètre...

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Discussion

Dans ce protocole, l’une des étapes essentielles est le succès de la préparation du carbone mésoporeux avec mieux les propriétés physicochimiques de la démarche en une seule étape, où les conditions expérimentales optimales doivent être déterminées. Ainsi, dans une précédente étude28nous avons effectué des expériences matrice orthogonale micro-ondes pyrolyse, tenant compte de l’effet du ratio imprégnation de bagasse, acide phosphorique, l’heure de la pyrolyse, four à micro-ondes puissance et temps...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Les auteurs remercient les fonds de recherche fondamentale pour les universités de la centrale de Chine (No.KYZ201562), China postdoctorales Science Fund (no 2014 M 560429) et le plan de recherche et de développement clé de la Province du Jiangsu (No. BE2018708).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Tous les produits chimiques et réactifs (acide phosphorique, etc.)Nanjing Chemical Reagent Co., LtdQualité analytique
Four électriqueLuoyang Bolaimaite Experiment Electric Furnace Co., Ltd
Four à micro-ondesNanjing Yudian Automation Technology Co., LtdFréquence 2,45 GHz
Analyseur de surface et de porosimétrieBeijing Gold APP Instrument Co., LtdVc-Sorb 2800TP
Spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR)Nicolet6700
Spectrophotométrie d’absorption atomique à flammeBeijing Purkinje General Instrument CorporationA3
Element AnalyzerAllemagne Heraeus Co.CHN-O-RAPID  ;

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Mots-clés

Pyrolyse par micro ondesadsorption du Cu IIpr curseur de bagasseimpr gnation l acide phosphoriquemodification par r duction de la nitrationspectroscopie infrarouge transform e de Fourieradsorption d sorption d azoteabsorption atomique avec atomisation la flamme

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