Summary
Vi præsenterer her, en protokol for at syntetisere kvælstof/ilt dual-doped mesoporøse kulstof fra biomasse af kemiske aktivering i forskellige pyrolyse modes efterfulgt af ændring. Vi demonstrere, at mikrobølgeovn pyrolyse til gavn for den efterfølgende ændring oparbejde hen til samtidig indføre mere kvælstof og ilt funktionelle grupper om at kulstoffet.
Abstract
En miljøvenlig teknik til syntese biomasse-baserede mesoporøse aktiveret carbon med højt kvælstof- / ilt-chelaterende adsorption til Cu(II) er foreslået. Bagasse imprægneret med fosforsyre er udnyttet som forløber. For at pyrolyze forløber, to separate varme tilstande bruges: mikroovn pyrolyse og konventionelle El-varme pyrolyse. De resulterende bagasse-afledte CO2 prøver er ændret med nitrifikation og reduktion ændring. Kvælstof (N) / ilt (O) funktionelle grupper er samtidig indført til overfladen af aktivt kul, forbedre dens adsorptionen af Cu(II) af kompleksbindende og ion-udveksling. Karakterisering og kobber adsorption forsøg er udført for at undersøge de fysisk-kemiske egenskaber af fire rede carbon prøver og bestemme hvilken opvarmning metode favoriserer den efterfølgende ændring for doping af N/O funktionelle grupper. I denne teknik, baseret på analyse af data af kvælstof adsorption, Fourier transform infrarød spektroskopi og batch adsorption eksperimenter, er det bevist at mikrobølgeovn-pyrolyzed carbon har flere defekt websteder, og derfor, tidsbesparende effektiv mikroovn pyrolyse bidrager mere N/O arter til kulstof, selv om det fører til en lavere specifikke overfladeareal. Denne teknik tilbyder en lovende vej til syntese adsorbenter med højere kvælstof og iltindhold og en højere adsorption kapacitet af heavy-metal ioner i spildevand oprydning applikationer.
Introduction
Aktivt kul har unikke adsorption egenskaber, såsom en porøs struktur, en høje specifikke overfladeareal og forskellige overflade funktionelle grupper; Derfor, det er ansat som en adsorbent i vand behandling eller rensning1,2,3,4. Udover sine fysiske fortrin, aktivt kul er omkostningseffektive og uskadeligt for miljøet og dets råmateriale (fx, biomasse) er rigelig og let opnået5,6. De fysisk-kemiske egenskaber af aktivt kul afhænge af de prækursorer, der anvendes i sin forberedelse og forsøgsbetingelser aktivering proces7.
To metoder bruges typisk til at forberede aktivt kul: en et-trins og en to-trins tilgang8. Sigt et-trins tilgang refererer til prækursorer er forkullede og aktiveres samtidig mens totrinsløsning refererer til som sekventielt. Energibesparelser og miljøbeskyttelse er et-trins tilgang mere foretrukne for sin lavere temperatur og tryk krævende.
Udover, kemiske og fysisk aktivering er udnyttet til at forbedre de stoflige egenskaber af aktivt kul. Kemiske aktivering besidder åbenbare fordele over fysisk aktivering på grund af dens lavere aktivering temperatur, kortere aktivering tid, højere CO2 udbytte og mere udviklede og kontrollerbar pore struktur i en vis grad9. Det er blevet testet, kemiske aktivering kan udføres af imprægnering biomasse anvendes som råvare med H3PO4, ZnCl2eller andre specifikke kemikalier, efterfulgt af pyrolyse til at øge porøsitet af aktivt kul, fordi lignocellulose komponenter af biomasse kan fjernes nemt ved en efterfølgende varme behandling, på grund af dehydrogenering kapacitet af disse kemikalier10,11. Derfor, kemiske aktivering høj grad øger dannelsen af aktivt kul porer eller forbedrer adsorptive ydeevne til forurenende stoffer12. En syrlig aktivator er foretrukket at H3PO4, på grund af sin relativt lavere efterspørgsel efter energi, højere udbytte, og mindre indvirkning på miljøet-13.
Mikrobølgeovn pyrolyse har overlegenhed i tidsbesparelser, ensartet indre varme, energieffektivitet og selektiv varme, hvilket gør det til en alternativ opvarmning metode til syntese-aktiveret kulstof14,15. Sammenlignet med konventionelle El-varme, kan mikrobølgeovn pyrolyse forbedre termo-kemiske processer og fremme visse kemiske reaktioner16. For nylig, omfattende undersøgelser har fokuseret på at forberede aktivt kul af kemiske aktivering fra biomasse ved hjælp af et-trins mikrobølgeovn pyrolyse9,17,18,19. Så er det betydeligt informative og miljøvenlige til syntese biomasse-baserede aktivt kul af mikrobølgeovn-assisteret H3PO4 aktivering.
Derudover for at forbedre adsorption tilhørsforhold aktivt kul mod specifikke heavy-metal ioner, ændring af betegnelse [N, O, svovl (S), etc.] doping i carbon strukturer er blevet foreslået, og dette har vist sig for at være en ønskelig metode 20,21,22,23,24,25,26. Defekte websteder i eller på kanten af en grafit lag kan erstattes af heteroatomer at generere funktionelle grupper27. Derfor, nitrifikation og reduktion ændring bruges til at ændre resulterende carbon prøver for at dope N/O funktionelle grupper, som spiller en afgørende rolle for effektivt at koordinere med heavy metal at danne kompleksbindende og ionbytning28.
Baseret på ovenstående undersøgelsesresultater, præsenterer vi en protokol for at syntetisere N/O dual-doped mesoporøse kulstof fra biomasse af kemiske aktivering og to forskellige pyrolyse metoder fulgt op af ændring. Denne protokol bestemmer også, hvilke opvarmning metode favoriserer den efterfølgende ændring for doping af N/O funktionelle grupper og dermed øge adsorption ydeevne.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. forberedelse af Bagasse-baserede aktivt kul
-
Forberedelse af en forløber for bagasse-baserede aktivt kul
- Skyl med deioniseret vand, bagasse (fremstillet af en gård i Jiangsu, Kina) og sætte prøverne i et varmeskab ved 100 ° C i 10 h.
- Knuse de tørrede bagasse med en vinkelsliber og sigten pulveret gennem en 50-mesh sigte.
- Sted 30 g fint bagasse pulver i en 15 wt % phosphorsyre (H3PO4) løsning i en 1:1 vægtforhold for 24 h. tørre blandingen i en ovn ved 105 ° C for 6 h. indsamle det resulterende produkt som forløber for bagasse-baserede aktivt kul (BAC).
-
Konventionelle El-varme pyrolyse af forløberen
- Sætte 15 g af forløberen i en kvarts båd og derefter indsætte kvarts båd i et quartz glasrør af en elektrisk ovn.
- Indstil den varme hastighed af ovnen på 5 ° C min-1 til carbonize prøven. Når temperaturen når 500 ° C, holde temperaturen i 90 min. og derefter tillade resulterende aktiveret carbon Prøven afkøles til stuetemperatur i kvælstof. Sikre en nitrogen flow af 80 mL min-1 med en rotor flowmeter under den overordnede proces.
- Hakkede og indsamle de elektriske pyrolyzed ovn bagasse-baserede aktivt kul (EBAC) i et bægerglas og derefter varme det i et vakuum tørring ovn ved 105 ° C i 24 timer.
-
Mikrobølgeovn pyrolyse af forløberen
- Sætte 15 g af forløberen i en mikrobølgeovn (med en 2,45 GHz frekvens).
- Indstille effekt af mikrobølgeovnen ved 900 W til pyrolyze prøve for 22 min., og sikre kvælstof flowet på 20 mL min-1 med en rotor flowmåler. Luftindtaget i rotoren flowmåler er tilsluttet en nitrogen cylinder med en slange, mens forretningen er tilsluttet luftindtaget i mikrobølgeovnen.
- Tillad den resulterende carbon afkøle til stuetemperatur i kvælstof. Hakkede og indsamle carbon prøven i et bægerglas og derefter tilføje 300 mL saltsyre (0,1 M). Rør blandingen ved hjælp af en magnetisk omrører (på 200 rpm) i mere end 12 timer ved stuetemperatur.
- Filtrer carbon filter papir med vakuum filtrering og skyl prøve med deioniseret vand, indtil pH-værdien i vaskevandet er > 6. Tør de mikrobølgeovn-pyrolyzed bagasse-baserede aktivt kul (MBAC) i et vakuum tørring ovn ved 105 ° C i 24 timer.
2. ændring af elektriske pyrolyzed ovn Bagasse-baserede aktivt kul og mikrobølgeovn-pyrolyzed Bagasse-baserede aktivt kul
Bemærk: En ændring af de to prøver blev gennemført efter litteratur29.
-
Nitrifikation
- Bland 50 mL koncentreret svovlsyre og 50 mL koncentreret salpetersyre syrer i et bægerglas på 0 ° C (i isbad).
Forsigtig: Når blandingen af koncentreret svovlsyre og koncentreret salpetersyre er blandet, koncentreret svovlsyre bør være langsomt tilføjes den koncentreret salpetersyre og omrøres med en glasstav og afkølet i tid. - Tilsættes 10 g af EBAC/MBAC til den blandede løsning. Bruge en magnetomrører til rør blandingen for 120 min (på 200 rpm).
- Filtrere den nitrificeret EBAC/MBAC af filtrerpapir med vakuum filtrering. Vaske carbon med deioniseret vand, indtil vaskevandet når pH 6, og derefter tørres i et varmeskab ved 90 ° C i 24 timer.
- Bland 50 mL koncentreret svovlsyre og 50 mL koncentreret salpetersyre syrer i et bægerglas på 0 ° C (i isbad).
-
Reduktiv ændring
- I en tre-hals kolbe, tilsæt 5.05 g af resulterende produkt, 50 mL deioniseret vand og 20 mL af ammoniakoploesningen (15 M). Rør denne blanding i 15 min. med en magnetomrører (på 200 rpm), derefter tilføje 28 g Na2S2O4, og lad blandingen omrøring ved stuetemperatur til 20 h.
- Passer en tilbagesvaler på kolben og varm blandingen op til 100 ° C ved hjælp af en oliebad. Kolben tilsættes 120 mL af CH3COOH (2,9 M) og lad blandingen for 5 h der omrøres med en magnetomrører (på 200 rpm) under refluks.
- Fjerne den oliebad til at tillade løsning at køle ned til stuetemperatur. Filtrer carbon prøven og vaske det med deioniseret vand indtil opløsning pH > 6. Tør den modificerede EBAC/MBAC ved 90 ° C og betegne det som "EBAC-N/MBAC-N".
3. adsorbent karakterisering
-
Strukturelle c haracterization — Kvælstof adsorption/desorptionsisotermer
- Veje et tomt prøveglas. Tilføje en carbon prøve (~0.15 g) til prøveglas.
- Degas prøve på 110 ° C i 5 timer i et vakuum. Veje prøveglas indeholdende CO2. Beregn CO2 prøvens vægt.
- Installere prøveglas ind på målepladsen af areal og porosimetry analysatoren ved hjælp af flydende nitrogen til at måle det på-196 ° C30.
-
Kemiske karakterisering — Fourier transform infrarød spektroskopi
- Tjek temperaturen og hygrometer og observere, om miljøet opfylder kravene: temperaturen bør være 16-25 ° C og relative luftfugtigheden 20-50%.
- Fjerne tørremidlet og støvhætten i stikprøven storehouse.
- Tør carbon prøve og kaliumbromid på 110 ° C i 4 h for at undgå effekten af vand på spektrum. CO2-proeven blandes med kaliumbromid og derefter bruge en presse mekanisme til at forberede prøven.
- Læg prøven i testområdet og angive parametre af softwaren.
- Gemme spektra og tage prøven. Udføre en påkrævet databehandling til spektre31.
4. Cu (II)-adsorption eksperimenter
-
Adsorption isoterm
- 0,05 g af adsorbent anbringes i hver af de koniske kolber, som indeholder 25 mL af en CuSO4 løsning (pH 5) med en valgte begyndelseskoncentration (10, 20, 30, 40, 50, 60, 80 og 100 mg L-1). Bruge en 0,1 M HNO3 og 0,1 M NaOH-opløsning til at justere pH-værdien af hver kobber løsning.
Bemærk: En løsning med den valgte begyndelseskoncentration er fortyndet til en 1 g L-1 CuSO4 løsning, som består af et opløst 3.90625 g af blå vitriol solid bruger vasen med et volumen på 1000 mL. - Passer låg på de koniske kolber og læg dem i en termostatisk orbitalryster (med en omrøring sats på 150 rpm) ved 5 ° C/25 ° C/45 ° C til 240 min.
- Brug 0,22 μm membranfiltre til at adskille adsorbenter fra løsningen.
- Bruge en flamme atomabsorptionsspektrometri til bestemmelse af kobber koncentration af filtratet.
Bemærk: Alle eksperimenter blev udført i tre eksemplarer og dataene, der var i gennemsnit. Adsorption kapaciteten for Cu(II), qe, blev beregnet således:
(1)
Her
C0 = den indledende kobber koncentration (mg L-1),
Ce = den endelige koncentration (mg L-1),
V = volumen løsning og
m = vægten af hver adsorbent (g).
- 0,05 g af adsorbent anbringes i hver af de koniske kolber, som indeholder 25 mL af en CuSO4 løsning (pH 5) med en valgte begyndelseskoncentration (10, 20, 30, 40, 50, 60, 80 og 100 mg L-1). Bruge en 0,1 M HNO3 og 0,1 M NaOH-opløsning til at justere pH-værdien af hver kobber løsning.
-
Indflydelse af pH
- 0,05 g af adsorbent anbringes i hver af koniske målekolber, som indeholder 25 mL af en CuSO4 løsning (40 mg L-1) med en valgte indledende pH (2, 3, 4, 5, 6 og 7).
- Passer låg på de koniske kolber og læg dem i en termostatisk orbitalryster (med en omrøring sats på 150 omdr. / min.) på 25 ° C i 24 timer at nå frem til adsorption ligevægtsforhold.
- Gentag trin 4.1.3-4.1.4.
-
Adsorption kinetik
- Sted 0,25 g af adsorbent i et bægerglas, som indeholder 125 mL af CuSO4 opløsning (30 mg L-1 eller 100 mg L-1, pH 5) i en 25 ° C vandbad med magnetisk omrøring (på 200 rpm).
- Brug pipetter til at tegne 5 mL af opløsningen, når den kontakttid når 0,5, 1, 2.5, 5, 10, 30, 60, 120, og 180 min.
- Gentag trin 4.1.3-4.1.4.
(1)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Kvælstof adsorption/desorptionsisotermer fire prøver er præsenteret i figur 1. Alle adsorptionsisotermer viser en hurtig stigning i lav P/P0 region og disse isotermerne tilhører type IV (IUPAC klassificering) demonstrere deres pore struktur, der består af micropores og dominerende mesopores32.
De overflade fysiske parametre for alle prøver fra adsorptionsisotermer kvælstof er vist i tabel 1. Mikrobølgeovn pyrolyse og ændring både bidrage til en mindre Brunauer-Emmett-Teller (BET) areal og total pore volumen, ændre den fysiske morfologi af prøverne.
Fourier transform infrarød (FTIR) spektre af de fire prøver er angivet i figur 2. Bands af MBAC på 1167 cm-1 [kulstof (C) - O stretching vibrationer], 1620 cm-1 (C = O stretching vibrationer), 2852 cm-1 [N - brint (H) stretching vibrationer], 2922 cm-1 (C - H stretching vibration) og 3442 cm-1 (O - H stretching vibration) er mere intens end EBAC. Disse kan tilskrives mikrobølgeovn pyrolyse bidrager mere ilt funktionelle grupper til BAC overflade. For EBAC-Nielsen og MBAC-Nielsen, bands omkring 1573 cm-1 og 1400 cm-1 sandsynligt repræsenterer C = N og N - H grupper, henholdsvis. Det kan findes, at de modificerede kulstof materialer har fået særskilte kvælstof/ilt funktionelle grupper, og mikrobølgeovn-pyrolyzed carbon bliver mere, hvilket er i overensstemmelse med de elementære analyse som vist i tabel 1. Det kan være spekuleret, at mikrobølgeovn pyrolyse er mere passende at aktivere forløber og lå roden for yderligere ændringer end konventionelle El-varme pyrolyse. MBAC-N besidder hovedsagelig hydroxyl, carboxyl, amino, og imine funktionelle grupper.
Figur 3 viser de fire prøver forskellige pH betingelser adsorption kapacitet. De fire adsorbenter nå den optimale adsorption kapacitet på pH 5, så de følgende adsorption eksperimenter er alle udført ved pH 5. De prøver, der er udarbejdet af mikrobølgeovn pyrolyse udstillet bedre Cu(II) adsorption kapacitet før og efter ændringen, selv om de havde en lavere specifikke overflade område og pore volumen. Generelt afhænger adsorbability af adsorbenter pore struktur og overflade funktionelle grupper. Derfor tilskrives den høje adsorption kapacitet af MBAC-N mere rigelige N/O overflade grupper. Resultaterne bekræfter, at mikrobølgeovn pyrolyse fordele opfølgende indførelsen af overflade funktionelle grupper til at forbedre adsorption kapacitet mere end El-varme pyrolyse.
Adsorptionsisotermer af MBAC-N på Cu(II) på 5 ° C og 25 ° C til 45 ° C er vist i figur 4a. Adsorption egenskaber af prøver til Cu(II) bliver bedre, når temperaturen stiger. Ved at sammenligne isoterm parametrene i tabel 2, er det klart, at Langmuir isoterm model angiver en højere lineær korrelationskoefficient (R2) som er over 0,99 (linjen montering i figur 4b), og den målte adsorption kapacitet (q0mea) er identisk med den beregnede en (q0cal). Modellen er derfor mere egnet end Freundlich og Temkin isoterm modeller, som angiver, at optagelsen af Cu(II) er en kemisk adsorption proces33.
Som vist i figur 4 c, MBAC-N kan nå cirka 75% af Cu(II) ligevægt adsorption kapacitet inden for 15 min, og det kan næsten nå adsorptionsligevægt af Cu(II) i ca 50 min ved forskellige oprindelige koncentrationer. Disse bevise, at MBAC-N har fremragende adsorption egenskaber. Som det fremgår af tabel 3, den pseudo-link anden orden model er bedre end Lagergren og Elovich modellerne med R2 = 0.999 (linjen montering i figur 4 d). Ovenstående bekræfter at adsorptionen af Cu(II) på MBAC-N er chemisorption. Derfor foreslås den kemiske interaktion mekanisme for Cu(II) af den modificerede kulstof i figur 5. Tabel 4 sammenligner adsorption kapacitet Cu(II) af biomasse-baserede aktivt kul rapporteret i de seneste referencer34,35,36,37,38. Det er konstateret, at MBAC-N har en højere adsorption kapacitet end andre adsorbenter rapporteret i litteraturen, viser det som en lovende adsorbent til at fjerne Cu(II).
Figur 1: kvælstof adsorption/desorptionsisotermer af kulstofatomer. Inset grafen i figur 1 viser kvælstof adsorption/desorption isoterm MBAC-n i et mindre ordinat område. Dataene blev indhentet fra de understøttende software af areal og porosimetry analyzer. Dette tal er blevet ændret fra Wan og Li27. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: FTIR spektre af EBAC, EBAC-Nielsen, MBAC og MBAC-Nielsen Spektre kan bekræfte de kemiske sammensætninger og overflade funktionelle grupper af prøverne. Dette tal er blevet ændret fra Wan og Li27. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: effekt af løsning pH på Cu(II) adsorption. Koncentrationen af kobber i løsningerne, der er 40 mg L-1. Prøvningen udføres ved 25 ° C og 150 rpm i 24 timer, for at nå adsorptionsligevægt. Dette tal er blevet ændret fra Wan og Li27. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: repræsentative adsorption ejendom analyse af MBAC-Nielsen (en) dette panel viser adsorptionsisotermer af Cu(II) på MBAC-N ved 5 ° C, 25 ° C og 45 ° C. (b) dette panel viser montering resultatet for kobber adsorption ved hjælp af Langmuir isoterm. (c) dette panel viser kinetik af Cu(II) på MBAC-N i de oprindelige koncentrationer på 30 mg L-1 og 100 mg L-1. (d) dette panel viser montering resultatet for kobber adsorption ved 25 ° C ved hjælp af den pseudo-link anden orden model. Dette tal er blevet ændret fra Wan og Li27. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: foreslåede mekanisme for Cu(II) adsorption af modificerede kulstof. I denne reaktion proces involverer kemisk adsorption primært ionbytning og kompleksbindende. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
| Adsorbenter | EBAC | EBAC-NIELSEN | MBAC | MBAC-N |
| Pore struktur parametre | ||||
| BET areal (m2 g1) | 978 | 609 | 543 | 61 |
| Samlede porevolumen (cm3 g1) | 1.22 | 0,59 | 0,68 | 0,13 |
| Mesoporøse volumen (cm3 g1) | 1.09 | 0,47 | 0,58 | 0,11 |
| Betyde pore størrelse DP (nm) | 4,97 | 3,84 | 5.01 | 8.89 |
| Mesoporøse sats (%) | 89.52 | 80.24 | 85.32 | 84.61 |
| Elementært indhold (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 |
| Udbytte (%) | 53.35 | / | 57.23 | / |
Tabel 1: strukturelle karakteristika og elementært kompositioner af EBAC, EBAC-Nielsen, MBAC og MBAC-Nielsen De stoflige data er analyseret ved hjælp af metoden BET. Relative vægt procentdelen af elementer er beregnes baseret på den tør ash-gratis basis. Denne tabel er ændret fra Wan og Li27.
| MBAC-N | ||||
| Isoterm modeller | Parametre | 5 ° C | 25 ° C | 45 ° C |
| Langmuir | q0cal (mg g1) | 20.82 | 24,09 | 25.97 |
| q0mea (mg g1) | 20.23 | 23.47 | 25.12 | |
| b (L mg1) | 0,73 | 0,51 | 0,49 | |
| R2 | 0.999 | 0.996 | 0.995 | |
| Freundlich | KF (L mg1) | 8.802 | 9,65 | 10.56 |
| n | 3.937 | 3.902 | 4.032 | |
| R2 | 0.907 | 0.967 | 0.987 | |
| Temkin | EnT (L mg1) | 29.57 | 32.3 | 49,8 |
| B (L mg1) | 2.94 | 3.19 | 3.16 | |
| R2 | 0.969 | 0.985 | 0.955 | |
Tabel 2: isoterm parametre af Cu(II) på MBAC-N ved forskellige temperaturer. De indbyggede parametre er fra lineariseret Langmuir, Freundlich og Temkin adsorptionsmodeller. Denne tabel er ændret fra Wan og Li27.
| MBAC-N | |||
| Kinetiske modeller | Parametre | 30 mg L1 | 100 mg L1 |
| Lagergren | k1 (min.1) | 0.037 | 0,045 |
| R2 | 0.714 | 0,934 | |
| qe, mea (mg g1) | 13.39 | 22.69 | |
| Pseudo-link anden ordens | qe, cal (mg g1) | 13,44 | 23,25 |
| k2 (g (mg min)1) | 0.08676 | 0.03031 | |
| R2 | 0.999 | 0.999 | |
| qe, mea (mg g1) | 13.39 | 22.69 | |
| Elovich | ΑE (g (mg min)1) | 379.73 | 312.25 |
| ΒE (mg g1) | 0.738 | 0.411 | |
| R2 | 0.799 | 0.901 | |
Tabel 3: kinetiske parametre af Cu(II) på MBAC-N ved forskellige oprindelige koncentrationer. De indbyggede parametre er fra lineariseret Lagergren, pseudo-link anden orden samt Elovich modeller. Denne tabel er ændret fra Wan og Li27.
| Adsorbenter | pH | qe (mg g1) | Referencer |
| Træbaserede granuleret aktivt kul | 5.5 | 6.016 | 34 |
| Baobab frugt shell-afledte aktiveret carbon | 6 | 3.0833 | 35 |
| Oliven sten AC (COSAC) | 5 | 17.08 | 36 |
| Aktiveret carbonfrom dato sten | 5.5 | 18,68 | 37 |
| Valnød shell baseret aktivt kul | 5 | 9.3 | 38 |
| Plasma ændret aktivt kul | 21,4 | ||
| MBAC-N | 5 | 25.12 | Denne undersøgelse |
Tabel 4: sammenligning af adsorption kapacitet af Cu(II) på forskellige adsorbenter. Evne til aktivt kul til at fjerne Cu(II) er væsentligt påvirket af pH af løsningen, så adsorption kapaciteten af kontrast biomasse-baserede kulstof materialer bør opnås tæt på pH 5.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denne protokol er et af de kritiske trin vellykket forberedelse af mesoporøse carbon med bedre fysisk-kemiske egenskaber ved et-trins tilgang, hvor optimal forsøgsbetingelser skal bestemmes. Så, i en tidligere undersøgelse28, vi har udført ortogonal matrix mikrobølgeovn pyrolyse eksperimenter, overvejer virkningerne af imprægnering forholdet mellem bagasse og fosforsyre, pyrolyse tid, mikrobølgeovn magt og tørretid. Desuden stor omhu skal tages i kedelige Cu (II)-adsorption eksperimenter, især når pH-værdien af løsningen er justeret, fordi pH-værdien har en stor indflydelse på Cu(II) fjernelse af aktivt kul (figur 3). Det er bydende nødvendigt at teste den faktiske kobber koncentration af CuSO4 løsning med en defineret begyndelseskoncentration og brug denne værdi som C0 i ligning (1).
En større specifikke overfladeareal og højere porevolumen af biomasse-baserede aktivt kul kan opnås ved kemiske aktivering. Men den specifikke overfladeareal og samlede porevolumen falde under den efterfølgende pyrolyse og ændring proces, hvilket sandsynligvis skyldes sammenbrud og blokering af porer27, hvilket resulterer i en reduktion af adsorption kapacitet. Yderligere arbejde er derfor forpligtet til at forberede biomasse-baserede mesoporøse carbon med både en høj areal og rigelige funktionelle grupper.
Mikrobølgeovn pyrolyse er bekræftet til mere passende syntetisere biomasse-baserede mesoporøse carbon med en højere kvælstof/ilt-chelaterende adsorption til Cu(II), som har mange fordele i forhold til udbredte konventionel opvarmning metoder. Det er imidlertid ikke muligt at styre den øjeblikkelige temperatur præcist i løbet af mikrobølgeovn pyrolyse processen. Biomasse er en god mikroovn absorberende materiale, hvis temperaturen kan hurtigt stige under påvirkning af en mikrobølgeovn. Fremtidige arbejde skal klart, undersøge, hvordan pyrolyse temperatur påvirker de fysisk-kemiske egenskaber af den biomasse-baserede kulstof.
En detaljeret beskrivelse af ændring, der er uden for rammerne af denne artikel, men det kan findes i tidligere publicerede litteratur27. Den potentielle betydning af nitrifikation og reduktion ændring, som effektivt kan indføre flere N/O funktionelle grupper samtidigt på overfladen af kulstof prøver er værd at værdsætte. Ændring proces indeholder imidlertid mange eksperimenterende trin og udnyttelsen af farlige koncentreret stærk syre. En enklere og mere effektiv kvælstof/ilt ændring metode kan testet og vedtaget i yderligere undersøgelser.
Vi har demonstreret en miljø-venlige energi-effektive metode til forberedelse af biomasse-baserede mesoporøse carbon af mikrobølgeovn pyrolyse og dope N/O grupper samtidigt på kulstof ved hjælp af en nitrifikation og reduktion af rute. Sådan N/O dual-doped aktivt kul ejer en højere adsorption kapacitet af heavy-metal-ioner i en vandig opløsning, som gælder for spildevand oprydning. Vi forventer, at denne protokol vil give idéer til hurtig fremstilling af høj-adsorptive kulstof fra biomasse af tidsbesparende og effektiv mikrobølgeovn pyrolyse og vil blive optimeret i fremtiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Forfatterne anerkende den grundlæggende forskningsmidler til Central universiteterne i Kina (No.KYZ201562), Kina postdoc videnskab fond (No. 2014 M 560429) og nøglen forskning og udvikling planen af Jiangsu provinsen (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).
