JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Environment

Preparação da biomassa de carbono de mesoporos com nitrogênio superior-/ oxigênio-quelantes de adsorção para Cu(II) através de pre-pirólise microondas

Published: February 12, 2019
doi:
10.3791/58161
,
1College of Engineering,Nanjing Agricultural University

Summary

Aqui, apresentamos um protocolo para sintetizar o nitrogênio/oxigênio mesoporos dual-dopado de carvão de biomassa por ativação química em modos diferentes de pirólise seguido de modificação. Demonstramos que a pirólise de microondas beneficia o processo subsequente modificação simultaneamente a introduzir mais grupos funcionais com nitrogênio e oxigênio no carbono.

Abstract

Uma técnica de ambiente para a síntese de biomassa mesoporos ativado carbono com alta nitrogênio- / oxigênio-quelantes de adsorção para Cu(II) é proposta. Impregnado com ácido fosfórico o bagaço é utilizado como o precursor. Para pirólise do precursor, são usados dois modos de aquecimento separado: microondas pirólise e pirólise de elétrico-aquecimento convencional. As amostras de bagaço-derivado de carbono resultante são modificadas com a modificação de nitrificação e redução. Nitrogênio (N) / grupos funcionais de oxigênio (O) são introduzidos simultaneamente à superfície do carvão ativado, realçando sua adsorção de Cu(II) por complexantes e troca iônica. Caracterização e experimentos de adsorção de cobre são realizados para investigar as propriedades físico-químicas de quatro amostras de carbono preparado e determinar qual método de aquecimento favorece a modificação subsequente por doping de grupos funcionais de N/O. Nesta técnica, com base na análise de dados de adsorção de nitrogênio, espectroscopia de infravermelho Fourier transform e experimentos de adsorção do lote, está provado que microondas-pirolizado carbono tem mais sites de defeito e, portanto, economia de tempo efetivo de microondas pirólise contribui mais espécies de N/O para o carbono, embora isso leva a uma menor área de superfície específica. Esta técnica oferece um caminho promissor para adsorventes de síntese com nitrogênio superior e conteúdo de oxigênio e uma maior capacidade de adsorção de íons de metais pesados em aplicações de remediação de águas residuais.

Introduction

Carvão ativado tem propriedades de adsorção exclusivo, como uma estrutura porosa desenvolvida, uma alta área de superfície específica e vários grupos funcionais superficiais; Portanto, é empregado como um adsorvente na água tratamento ou purificação1,2,3,4. Além de suas vantagens físicas, carvão ativado é cost-effective e inofensivos ao meio ambiente e sua matéria-prima (por exemplo, biomassa) é abundante e facilmente obtidos5,6. As propriedades físico-químicas do carbono ativado dependem os precursores, que são utilizados na sua preparação e as condições experimentais do processo de ativação7.

Dois métodos são normalmente usados para preparar carvão ativado: aproximam-se um passo e um Two-Step8. A abordagem de uma etapa do termo refere-se a precursores sendo carbonizada e ativadas simultaneamente enquanto a abordagem em duas fases refere-se àquele sequencialmente. Tendo em vista a conservação de energia e proteção ambiental, a abordagem de uma etapa é mais preferida por sua baixa temperatura e pressão exigentes.

Além disso, a ativação química e física são utilizados para melhorar as propriedades texturais do carbono ativado. Ativação química possui vantagens aparentes sobre ativação física devido a sua baixa temperatura de ativação, menor tempo de ativação, rendimento mais elevado do carbono e mais estrutura de pore desenvolvidos e controlável em um determinado grau9. Ele foi testado que ativação química pode ser realizada por impregnação a biomassa utilizada como matéria-prima com H3PO4, ZnCl2ou outros produtos químicos específicos, seguidos pela pirólise para aumentar a porosidade do carvão ativado, porque lignocelulósicos componentes da biomassa podem ser facilmente removidos por um tratamento de aquecimento subsequente, devido a capacidade de desidrogenação destes produtos químicos10,11. Daí, a ativação química grandemente aumenta a formação de poros do carvão ativado ou melhora o desempenho de adsorção de contaminantes12. Um ativador ácido é preferível à H3PO4, devido à sua relativamente menor demanda de energia, maior rendimento e menos impacto sobre o meio ambiente13.

Pirólise de microondas tem a superioridade no aquecimento seletivo, tornando-se um método de aquecimento alternativo a síntese-ativado carbono14,15, aquecimento uniforme de interior, eficiência energética e economia de tempo. Comparado com aquecimento elétrico convencional, microondas pirólise pode melhorar processos termo-químicos e promover certas reações químicas16. Recentemente, extensos estudos centraram-se na preparação de carvão ativado por ativação química de biomassa usando uma etapa microondas pirólise9,17,18,19. Então, é bastante informativo e ambiente para síntese baseada em biomassa carvão ativado por assistida por microondas ativação do H3PO4 .

Além disso, para melhorar as afinidades de adsorção de carvão ativado em direção específicas íons de metais pesados, foi proposta alteração pelo heteroátomo [N, O, enxofre (S), etc…] de doping nas estruturas de carbono, e este tem provado para ser um método desejável 20,21,22,23,24,25,26. Sites com defeito na ou nas bordas de uma camada de grafite podem ser substituídos por heteroátomos para gerar grupos funcionais27. Daí, modificação de nitrificação e redução são usados para modificar amostras de carbono resultante para dopar grupos funcionais N/O, que desempenham um papel crucial em coordenar eficientemente com heavy metal para formar complexantes e troca iônica28.

Com base nas conclusões acima, apresentamos um protocolo para sintetizar N/O mesoporos dual-dopado de carvão de biomassa por ativação química e dois métodos diferentes de pirólise, seguidos por modificação. Este protocolo também determina qual método de aquecimento favorece a modificação que se seguiu para o doping dos grupos funcionais N/O e, assim, melhorar o desempenho de adsorção.

Protocol

1. preparação de bagaço-base de carvão ativado Preparação do precursor para bagaço-base de carvão ativado Enxagúe o bagaço (obtido de uma fazenda em Jiangsu, China) com água desionizada e colocar as amostras em um forno de secagem a 100 ° C, durante 10 h. Esmagar o bagaço seco com um moedor e peneirar o pó através de uma peneira de malha-50. Lugar de 30 g de pó fino de bagaço em uma solução de ácido fosfórico (H3PO4) de…

Representative Results

Isotérmicas de adsorção/dessorção de nitrogênio de quatro amostras são apresentadas na Figura 1. Todas as isotérmicas de adsorção mostram um aumento rápido da região baixa P/P0 e estas isotermas pertencem ao tipo IV (classificação de IUPAC) demonstrando sua estrutura de poros que consiste de microporos e dominante mesopores32. Os parâmetros físicos …

Discussion

Neste protocolo, um dos passos essenciais é a preparação bem sucedida de mesoporos carbono com melhor propriedades físico-químicas, com a aproximação de uma etapa, onde condições óptimas experimentais necessita de ser determinado. Então, em um estudo anterior28, efetuamos experimentos de pirólise de microondas matriz ortogonal, considerando o efeito da relação de impregnação de bagaço e ácido fosfórico, tempo de pirólise, forno de microondas potência e tempo de secagem. Além …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Os autores reconhecem os fundos de pesquisa Fundamental para as universidades de Central de China (No.KYZ201562), fundo de ciência Postdoctoral China (n. º 2014 M 560429) e o plano de pesquisa e desenvolvimento de chave da província de Jiangsu (n. º 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 
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Chen, H. Research Methods for the Biotechnology of Lignocellulose. Biotechnology of Lignocellulose: Theory and Practice. , 403-510 (2014).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).

Tags

BiomassMesoporous CarbonNitrogenOxygenChelatingCu(II)AdsorptionMicrowave Pre-pyrolysisBagassePhosphoric AcidActivated CarbonHydrochloric AcidSulfuric AcidNitric Acid
check_url/58161?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Li, K., Wan, Z. Preparation of Biomass-based Mesoporous Carbon with Higher Nitrogen-/Oxygen-chelating Adsorption for Cu(II) Through Microwave Pre-Pyrolysis. J. Vis. Exp. (144), e58161, doi:10.3791/58161 (2019).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image