通过化学处理对甘蔗渣活性炭进行硫固定及其对酸性染料吸附的影响

陈梦茹

摘 要：已知杂原子引入可提高碳的吸附性能的特定表面官能度。甘蔗渣活性炭硫固定是用硫酸进行低温化学处理，然后在900℃用CO2物理活化。研究了硫固定对甘蔗渣活性炭表面化学性质的影响及其随后的酸性染料去除（CIBA AB80）行为。使用傅里叶变换红外光谱（FTIR），杂原子分析和碳表面酸度检查和遵循表面化学发育。还研究了热处理的功能组稳定性。活性炭的结构性质通过氮吸附表征。化学预处理和气化能够在活性炭上固定高达0.2重量%的硫。虽然通过化学处理固定的硫含量较低，但与热固定法相比，該方法具有几个优点。化学方法没有干扰碳的结构发育，如在热法中所发现的。此外，由这些硫含量水平产生的表面化学反应足以使酸性蓝色染料的摄取量增加超过700%，基于由碳的表面积归一化的吸附容量。

关键词：甘蔗渣活性炭；硫固定；酸性染料

1 引言

染料废水不仅仅是颜色的美学污染物，而且还干扰了接收水体的光渗透，从而扰乱了生物过程。此外，染料流出物可能含有对微生物群体具有毒性作用并对哺乳动物有毒性和/或致癌性的化学物质。尽管包括化学氧化，生物处理，凝结絮凝和膜工艺在内的各种方法都可用于处理染料废水，活性炭的使用仍然广泛使用。活性炭表现出两性性质，使它们能吸附阳离子和阴离子染料。然而，活性炭的生产成本仍然很高。这引起了农业废弃物生产活性炭的低成本替代材料的研究，例如杏花，竹子和李子。在这些研究中，控制结构特性，特别是碳的表面化学性能，以满足特殊应用如染料吸附的需要，已经受到相当大的兴趣。表面官能团有望大大改变碳的表面特性和表面行为。这些组可以源于前体和生产过程。已经使用含碳吸附剂中固定硫，氮，氢和其他化学基团进行表面改性，以提供含碳吸附剂的表面化学反应的可控发展。尽管表面修饰的好处已有详细记录，但目前对其对吸附过程的影响的理解是有限的。含碳吸附剂改性以产生碳硫表面化合物已经在各种碳基固体中进行，包括炭，活性炭，炭黑和煤。这些碳 - 硫化合物通常通过在存在硫蒸汽，硫化氢，二氧化硫和二硫化碳。含硫或其他热解硫的含碳固体也被用于生产硫磺表面的固体。可吸收量的硫通常由碳质前体吸收，通常范围为6至50。这些硫表面化合物表现出广泛的性能，包括热稳定性和化学稳定性。当在1000℃下加热或用溶剂萃取时，硫化合物不能分解。这是除了在500-700℃之间与氢反应，其中硫硫化合物反应形成硫化氢。特别令人感兴趣的是固定有硫化合物的吸附剂表现出增强的金属吸收。Krishnan和Anirudhan已经表明，通过将碳暴露于SO2和H2S，将硫基化合物引入蔗渣中，在活化过程中产生显着增强的重金属去除。虽然已经证明了在活性炭中硫固定的优点，但碳表面中这种高浓度硫的益处并不明确。

2 实验部分

2.1 活性炭的制备

甘蔗渣通过物理活化而被激活。 这涉及两步过程：通过使用脱水剂，硫酸，甘蔗渣进行碳化，随后在900℃下用二氧化碳气化以形成扩展的表面积和炭的多孔结构。 在碳化步骤中，将浓硫酸以3：4的比例（重量比）添加到甘蔗渣中。将混合物装入Pyrex反应器中并用空气加热至160℃2小时。 将所得碳冷却并用水洗涤直至无酸，然后在110℃下干燥。在900℃的固定温度下，使用各种浓度的二氧化碳进行碳化炭的气化。

2.2 激活碳的物理和化学特性

在Quantachrome Autosorb 1-CLP中，通过在77K下的N2吸附测定碳的结构特征。碳酸值根据ASTM试验D3838-80（ASTMA 1996）测定。化学特征还包括使用Elementar Vario EL III CHNOS元素分析仪进行的活性蔗渣的硫分析。通過傅里叶变换红外光谱检测活性炭的表面官能团。为了获得可观察到的吸附光谱，将活性炭研磨成非常细的粉末，然后在120℃下干燥至少24小时。用KBr（光谱级）将细小碳样品稀释至均匀化至约0.1wt%，并进一步研磨。

3 结果与讨论

硫化合物与硫酸的相对优势在于它似乎不会干扰碳的结构发育，因为通过热解法固定硫是常见的。由总表面积反映的碳的结构发育，孔径和孔体积相对不受硫含量增加的影响。在CC-6碳中观察到的表面积的降低似乎与碳的广泛燃烧观察到的孔隙塌陷相关，而不是硫污染。由于碳固定在碳表面上而产生的碳碱度的性质是认为是由硫基的路易斯碱性质引起的。硫基是在作为基本位点的石墨微晶的基底平面内提供π电子富集区的位点的电子对供体。在碳表面上可以存在几种碳硫化合物，包括硫化物，硫酚，二硫键，硫醌，亚砜和硫代内酯。为了优化吸附系统的设计以去除染料，重要的是为每个系统的平衡数据建立最合适的相关性。在本研究中，Langmuir和Freundlich模型已经对两个等温线方程进行了测试。

4 结语

这项研究表明，硫化物官能团可以在气化前利用生物质硫酸处理进行化学固定。通过该方法引入硫基能够赋予表面官能团的改进，而不会干扰碳的结构发育，如通常用热解引入高浓度的硫所观察到的那样。在碳表面观察到包括C = S，S = O和S = S和S-O-C的官能团。这些在碳表面上引入的这些基团即使在100℃的CO2下在900℃下气化15小时也表现出热稳定性。通常，碳还含有促进酸性位点的氧络合物。通常，0.003?0.229的硫含量表现为赋予碱性或带正电荷的碳表面。硫含量超过0.2%的影响似乎显着提高了碳的吸附能力。在不含硫的碳上，在活性蔗渣上引入0.229%，酸性染料容量提高了700%。