Beredning av biomassa-baserade Mesoporous kol med högre kväve-/ syre-kelat Adsorption för Cu(II) genom mikrovågsugn före pyrolys
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att syntetisera kväve och syrgas dual-dopade mesoporous kol från biomassa av kemisk aktivering i olika pyrolys lägen följt av modifiering. Vi visar att den mikrovågsugn-pyrolys gynnar efterföljande modifiering processen med att samtidigt införa mer kväve och syre funktionella grupper på kolet.
Abstract
En miljövänlig teknik för att syntetisera biomassa mesoporous aktivt kol med hög kväve- / syre-kelat adsorption för Cu(II) föreslås. Bagass impregnerade med fosforsyra används som föregångare. För att pyrolyze föregångare, två separata värme lägen används: mikrovågsugn pyrolys och konventionella elektriska värme pyrolys. De resulterande bagass-derived kol-proverna är modifierad med nitrifikation och minskning modifiering. Kväve (N) / syre (O) funktionella grupper introduceras samtidigt till ytan av aktivt kol, förbättra dess adsorption av Cu(II) av komplexbildare och jonbyte. Karakterisering och koppar adsorption experiment utförs för att undersöka de fysikalisk-kemiska egenskaperna av fyra beredda kol prover och utreda vilken värme metod gynnar den efterföljande ändringen för dopning av N/O funktionella grupper. I denna teknik, baserat på analys av data av kväve adsorption, Fourier transform infraröd spektroskopi och batch adsorption experiment, är det bevisat att mikrovågsugn-pyrolyzed carbon har mer defekt platser och, därför, tidsbesparande effektiv mikrovågsugn pyrolys bidrar mer N/O arter till kol, även om det leder till en lägre specifik yta. Denna teknik erbjuder en lovande väg till syntes adsorbents med högre kväve och syrehalt och högre adsorption kapacitet av tungmetall joner i avloppsvatten sanering applikationer.
Introduction
Aktivt kol har unika adsorption egenskaper, till exempel en utvecklad porösa struktur, en hög specifik yta och olika surface funktionella grupper; Därför, det är anställd som en adsorbent i vatten behandling eller rening1,2,3,4. Förutom dess fysiska fördelar, aktivt kol är kostnadseffektivt och ofarliga för miljön, och dess råmaterial (t.ex., biomassa) är riklig och lätt erhållna5,6. Fysikalisk-kemiska egenskaperna för aktivt kol beror på de prekursorer som används i dess beredning och de experimentella förhållandena av aktivering process7.
Två metoder används vanligtvis för att förbereda aktivt kol: ett steg och en tvåstegsverifiering närma sig8. Den term one-step metoden avser prekursorer karboniserade och aktiveras samtidigt medan tvåstegsstrategi refererar till som sekventiellt. Med tanke på energibesparing och miljöskydd är one-step tillvägagångssättet mer föredragna för dess lägre temperatur och tryck krävande.
Kemisk och fysisk aktivering används dessutom för att förbättra textural egenskaper av aktivt kol. Kemisk aktivering äger uppenbara fördelar över fysisk aktivering på grund av dess lägre aktivering temperatur, kortare aktiveringstid, högre kol avkastning och mer utvecklade och kontrollerbar pore struktur i en viss grad9. Det har testats att kemisk aktivering kan utföras av impregnering biomassa som används som råmaterial med H3PO4, ZnCl2eller andra specifika kemikalier, följt av pyrolys att öka porositeten av det aktiva kolet, eftersom lignocellulosa komponenter av biomassa kan enkelt avlägsnas genom en efterföljande värme behandling, på grund av dessa kemikalier10,11dehydrogenering förmåga. Därför kemisk aktivering kraftigt förbättrar bildandet av aktivt kol porer eller förbättrar adsorptive prestanda till föroreningar12. En sura aktivator föredras H3PO4, på grund av dess relativt lägre efterfrågan på energi, högre avkastning, och mindre påverkan på miljön13.
Mikrovågsugn-pyrolys har överlägsenhet i tidsvinster, enhetlig interiör värme, energieffektivitet och selektiv värme, vilket gör det till en alternativ uppvärmning metod till syntes-aktiverat kol14,15. Jämfört med konventionella elvärme, kan mikrovågsugn pyrolys förbättra termo-kemiska processer och främja vissa kemiska reaktioner16. Nyligen, omfattande studier har fokuserat på att förbereda aktivt kol av kemisk aktivering från biomassa med one-step mikrovågsugn pyrolys9,17,18,19. Så är det betydligt informativ och miljövänliga till syntes biomassa aktivt kol av mikrovågsugn-assisted H3PO4 aktiveringen.
Dessutom, för att förbättra de adsorption tillhörighet av aktivt kol mot specifika tungmetaller joner, modifiering av heteroatomen [N, O, svavel (S), etc.] dopning i kol strukturer har föreslagits, och detta har visat sig vara en önskvärd metod 20,21,22,23,24,25,26. Defekt platser i eller vid kanterna av ett grafit lager kan ersättas av heteroatomer att generera funktionella grupper27. Därför används nitrifiering och minskning modifiering att ändra resulterande kol prover för att dope N/O funktionella grupper som spelar en avgörande roll i att effektivt samordna med heavy metal till bilda komplexbildande och jonbyte28.
Baserat på resultaten ovan, presenterar vi ett protokoll för att syntetisera N/O dual-dopade mesoporous kol från biomassa av kemisk aktivering och två olika pyrolys metoder följs upp av modifiering. Detta protokoll avgör också vilken värme metod gynnar den efterföljande ändringen för dopning av de N/O funktionella grupperna och, således, förbättra adsorption prestanda.
Protocol
Representative Results
Discussion
I detta protokoll är en av de kritiska steg framgångsrika utarbetandet av mesoporous kol med bättre fysikalisk-kemiska egenskaper av metoden med ett steg, där optimala experimentella förhållanden behöver fastställas. Så, i en tidigare studie28, vi har genomfört ortogonal matris mikrovågsugn pyrolys experiment, med tanke på effekten av förhållandet impregnering av bagass och fosforsyra, pyrolys tid, mikrovågsugn makt och torktid. Dessutom måste vara mycket försiktig i tråkiga Cu (…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänner de grundläggande forskningsmedel för Central universiteten i Kina (No.KYZ201562), postdoktorala vetenskap Kinafond (nr 2014 M 560429) och nyckeln forskning och utveckling planen i Jiangsu-provinsen (No. BE2018708).
Materials
| 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. , 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).
- 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).
