Utarbeidelse av biomasse-basert Mesoporous karbon med høyere Nitrogen-/ oksygen-chelaterande adsorpsjon for Cu(II) gjennom mikrobølgeovn pre pyrolyse

Summary

Her presenterer vi en protokoll for å syntetisere nitrogen/oksygen dual-dopet mesoporous karbon fra biomasse av kjemiske aktivisering i forskjellige pyrolyse moduser etterfulgt av endring. Vi viser at mikrobølgeovnen pyrolyse fordeler påfølgende endring prosessen å samtidig innføre mer nitrogen og oksygen funksjonelle grupper på karbon.

Abstract

En miljøvennlig teknikk for å syntetisere biomasse-basert mesoporous aktivert karbon med våt / oksygen-chelaterande adsorpsjon for Cu(II) er foreslått. Bagasse impregnert med fosforsyre benyttes forløperen. For å pyrolyze forløperen, brukes to separate oppvarming moduser: mikrobølgeovn pyrolyse og konvensjonell elektrisk oppvarming pyrolyse. Resulterende bagasse-avledet karbon prøvene endres med nitrification og reduksjon endring. Nitrogen (N) / oksygen (O) funksjonelle grupper samtidig introdusert til overflaten av aktivert karbon, forbedre sin adsorpsjon av Cu(II) av complexing og ion-exchange. Karakterisering og kobber adsorpsjon eksperimenter utføres for å undersøke egenskapene mekanisk-fire forberedt karbon prøver og bestemme hvilke oppvarming metode favoriserer påfølgende endring for doping i N/O funksjonelle grupper. I denne teknikken, basert på analyse av data nitrogen adsorpsjon, Fourier transformere infrarød spektroskopi og satsvis adsorpsjon eksperimenter, er det bevist at mikrobølgeovn-pyrolyzed karbon har flere feil, og derfor sparer tid effektiv mikrobølgeovn pyrolyse bidrar mer N/O arter til karbon, selv om det fører til et lavere bestemt område. Denne teknikken tilbyr en lovende rute til syntese adsorbents med høyere nitrogen og oksygeninnhold og en høyere adsorpsjon kapasitet på heavy metall ioner i avløpsvann Utbedring programmer.

Introduction

Aktivert karbon har unike adsorpsjon egenskaper, som en utviklet porøs struktur, en høy bestemt areal og ulike overflaten funksjonelle grupper; Derfor er det ansatt som et adsorbent i vann behandling eller rensing^1,2,3,4. Foruten sine fysiske fordeler, aktivert karbon er kostnadseffektive og ufarlig for miljøet, og råstoffet (f.eks, biomasse) er rikelig og lett fikk^5,6. Mekanisk-egenskapene for aktivert karbon avhenger av prekursorer som brukes i fremstillingen og eksperimentelle forhold av aktivisering forarbeide⁷.

To metoder brukes vanligvis til å forberede aktivert karbon: en ett-trinns og en to-trinns tilnærming⁸. Begrepet ettrinns tilnærming refererer til prekursorer er forkullet og aktiveres samtidig mens i two-step tilnærming refererer til som sekvensielt. I lys av energisparing og miljøvern er ettrinns tilnærmingen mer foretrukket for lavere temperatur og trykk krevende.

Dessuten, kjemiske og fysiske aktivisering benyttes for å forbedre egenskapene tekstur av aktivert karbon. Kjemisk aktivisering har åpenbare fordeler over fysiske aktivering på grunn av sin lavere aktivisering temperatur, kortere aktivisering tid, høyere karbon avkastning og mer utviklet og kontrollerbar pore strukturen i en viss grad⁹. Det er testet at kjemiske aktivisering kan utføres av impregnering biomasse brukt som råstoff H₃PO₄, ZnCl₂, eller andre bestemte kjemikalier, etterfulgt av å øke porøsitet av aktivert karbon, fordi lignocellulosic komponenter av biomasse kan enkelt fjernes ved påfølgende oppvarming behandling, på grunn av dehydrogenation evne av disse kjemikaliene^10,11. Derfor kjemiske aktivisering sterkt forbedrer dannelsen av aktivert karbon porene eller forbedrer adsorptive forurensninger¹². Sure aktivator foretrekkes til H₃PO₄, på grunn av sin relativt lavere energietterspørsel, høyere avkastning, og mindre innvirkning på miljøet¹³.

Mikrobølgeovn pyrolyse har overlegenhet i tidsbesparelser, uniform interiør oppvarming, energi-effektivitet og selektiv oppvarming, noe som gjør det til en alternativ oppvarming metode til syntese-aktivert karbon^14,15. Sammenlignet med konvensjonelle Elektrisk oppvarming, kan mikrobølgeovn pyrolyse forbedre Termo-kjemisk prosesser og fremme visse kjemiske reaksjoner¹⁶. Nylig har omfattende studier fokusert på å forberede aktivert karbon av kjemiske aktivisering fra biomasse bruker ettrinns mikrobølgeovn pyrolyse^9,17,18,19. Så, det er betydelig informative og miljøvennlig til syntese biomasse-basert aktivert karbon av mikrobølgeovn-assistert T₃PO₄ aktivisering.

I tillegg for å forbedre adsorpsjon slektskap av aktivert karbon mot bestemte heavy metall ioner, endring av hvilket [N, O, svovel (S), etc.] i karbon strukturer er foreslått, og dette har vist seg for å være en ønskelig ^{20,21,22,23,24,25,26}. Defekt områder i eller langs kantene av et grafitt lag kan erstattes av heteroatoms å generere funksjonsgrupper²⁷. Derfor nitrification og reduksjon endring brukes til å endre resulterende karbon prøver å dope N/O funksjonelle grupper som spiller en avgjørende rolle i effektiv koordinering med heavy metal til complexing og ion-exchange²⁸.

Basert på funnene ovenfor, presenterer vi en protokoll for å syntetisere N/O dual-dopet mesoporous karbon fra biomasse av kjemiske aktivisering og to forskjellige pyrolyse metoder fulgt opp av endring. Denne protokollen bestemmer også hvilke oppvarming metode favoriserer påfølgende endring for doping i de funksjonelle gruppene som N/O, og dermed forsterke adsorpsjon ytelsen.

Protocol

1. forberedelse av Bagasse-baserte aktivert karbon Utarbeidelse av forløperen for bagasse-baserte aktivert karbon Skyll bagasse (hentes fra en gård i Kina) med deionisert vann og sette prøvene i tørking ovn ved 100 ° C i 10t. Knuse de tørket bagasse med en jeksel og sil pulveret gjennom en 50 sil. Sted 30 g av fine bagasse pulver i en 15 wt % fosforsyre (H3PO4) løsning i et 1:1-vekt-forhold for 24 h. tørr blandingen i en ovn ved 105…

Representative Results

Nitrogen adsorpsjon/desorpsjon isotherms av fire prøver presenteres i figur 1. Alle adsorpsjon isotherms viser en rask økning i lav P/P0 regionen og disse isotherms tilhører type IV (IUPAC klassifisering) demonstrere pore strukturen som består av micropores og dominerende mesopores32. Overflaten fysiske parameterne for alle prøver innhentet fra nitrogen adsorp…

Discussion

I denne protokollen er en av de viktige trinnene vellykket utarbeidelsen av mesoporous karbon med bedre mekanisk-egenskaper av ett-trinns tilnærming, hvor optimale eksperimentelle forhold skal bestemmes. Så, i en tidligere studie²⁸, vi har gjennomført ortogonale matrise mikrobølgeovn pyrolyse eksperimenter, vurderer effekten av impregnering forholdet mellom bagasse og fosforsyre, pyrolyse tid, mikrobølgeovn kraft og tørketid. Dessuten stor forsiktighet må tas i kjedelig Cu (II)-adsorpsjon e…

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