高性能甘蔗基生物炭制备及其对H 2S和NH 3吸附.pdf
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1、收稿日期:.基金项目:中央级公益性科研院所基本科研业务专项(PM z x );生态环境部华南环境科学研究所优秀青年科技人才支持项目(PM z x )作者简介:刘明辉(),男,硕士生.通信作者:胡春华(),男,副教授,博士.E m a i l:c h h u n c u e d u c n.刘明辉,唐子君,饶梓凌等高性能甘蔗基生物炭制备及其对HS和NH吸附J南昌大学学报(理科版),():L I U M H,T AN GZJ,R AOZL,e t a l P r e p a r a t i o no fh i g h p e r f o r m a n c es u g a r c a n e b
2、 a s e db i o c h a ra n d i t sa d s o r p t i o no fHSa n dNHJJ o u r n a l o fN a n c h a n gU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e),():高性能甘蔗基生物炭制备及其对HS和NH吸附刘明辉,唐子君,饶梓凌,方平,胡春华(南昌大学资源与环境学院,鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室,江西 南昌 ;生态环境部华南环境科学研究所,广东省水与大气污染防治重点实验室,广东 广州 ;中国计量大学,质量与安全工程学院,浙江 杭州 )摘要:以甘蔗渣为原料,通
3、过直接炭化、C O活化、HP O活化的方法制备种不同的甘蔗基生物炭作为吸附材料,并通过扫描电镜(S EM)、孔径比表面积分析仪(B E T)等进行表征,在固定吸附床上测试了不同甘蔗基生物炭对硫化氢(HS)和氨气(NH)吸附性能,并考察吸附温度、进气浓度、进气流量对甘蔗基生物炭吸附HS和NH的影响.结果表明,HP O活化制备的甘蔗基生物炭比表面积和总孔容最大,分别达到 mg和 c mg,提高吸附温度、进气浓度和进气流量均不利于甘蔗基生物炭对HS和NH的吸附去除.最佳的吸附工艺条件为吸附温度,HS和NH进气浓度分别为 ,进气流量为 m Lm i n,在此条件下甘蔗基生物炭对HS和NH的动态平衡吸附
4、时间最长,动态平衡吸附量分别达到、m gg.HP O活化制备的甘蔗基生物炭可应用于HS和NH的吸附,具有较好的应用前景.关键词:甘蔗基生物炭;HS;NH;吸附中图分类号:O 文献标志码:A文章编号:()P r e p a r a t i o no fh i g h p e r f o r m a n c e s u g a r c a n e b a s e db i o c h a ra n d i t sa d s o r p t i o no fHSa n dN HL I U M i n g h u i,T ANGZ i j u n,R a oZ i l i n g,F ANGP i n
5、 g,HUC h u n h u a(S c h o o l o fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t,N a n c h a n gU n i v e r s i t y,K e yL a b o r a t o r yo fP o y a n gL a k eE n v i r o n m e n t a n dR e s o u r c eU t i l i z a t i o n,M i n i s t r yo fE d u c a t i o n,N a n c h a n g ,C h i n a;S o u t hC h i
6、n aI n s t i t u t eo fE n v i r o n m e n t a lS c i e n c e,M i n i s t r yo fE c o l o g ya n dE n v i r o n m e n t,G u a n g d o n gK e yL a b o r a t o r yo fW a t e ra n dA i rP o l l u t i o nP r e v e n t i o na n dC o n t r o l,G u a n g z h o u ,C h i n a;C h i n aJ i l i a n gU n i v e r
7、 s i t y,S c h o o l o fQ u a l i t ya n dS a f e t yE n g i n e e r i n g,H a n g z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:T h r e ed i f f e r e n t s u g a r c a n e b a s e db i o c h a r sw e r ep r e p a r e da s a d s o r p t i o nm a t e r i a l sb y t h em e t h o d so f d i r e c t c a r b o n i
8、 z a t i o n,C Oa c t i v a t i o n,a n dHP Oa c t i v a t i o nm e t h o d sb a s e do nb a g a s s e T h es u r f a c es t r u c t u r eo fs u g a r c a n e b a s e db i o c h a rw a sc h a r a c t e r i z e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y(S EM)a n dp o r e s i z e s u r f a
9、c e a r e a a n a l y z e r(B E T)T h e a d s o r p t i o np e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n t s u g a r c a n e b a s e db i o c h a r so nh y d r o g e ns u l f i d e(HS)a n da mm o n i a(NH)w a s t e s t e do na f i x e da d s o r p t i o nb e d,a n d t h ee f f e c t so f t h ea d s o r p
10、t i o n t e m p e r a t u r e,t h ep o l l u t a n t c o n c e n t r a t i o n,a n d t h e i n t a k e f l o wr a t e o n t h e a d s o r p t i o no fHSa n dNHo ns u g a r c a n e b a s e db i o c h a rw e r e i n v e s t i g a t e d T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h eh e s u g a r c a n e
11、 b a s e db i o c h a rp r e p a r e db y t h eHP Oa c t i v a t i o nh a dt h e l a r g e s t s p e c i f i c s u r f a c ea r e aa n dt o t a l p o r ev o l u m e,r e a c h i n g mga n d c mg,r e s p e c t i v e l y I n c r e a s i n gt h ea d s o r p t i o nt e m p e r a t u r e,i n t a k ea i r
12、c o n c e n t r a t i o na n d i n t a k ea i r f l o wr a t ew e r en o tc o n d u c i v et ot h ea d s o r p t i o no fHSa n dNHb ys u g a r c a n e b a s e db i o c h a r T h eo p t i m u ma d s o r p t i o np r o c e s sc o n d i t i o n sw e r ea na d s o r p t i o nt e m p e r a t u r eo f ,HS
13、a n dNHi n l e t c o n c d n t r a t i o n so f ,a n da n i n l e tg a s f l o wr a t eo f m Lm i n U n d e r t h e s ec o n d i t i o n s,t h es u g a r c a n e b a s e db i o c h a rh a dt h e l o n g e s td y n a m i ce q u i l i b r i u ma d s o r p t i o nt i m ef o rHSa n dNH,a n dt h ed y n a
14、 m i ce q u i l i b r i u ma d s o r p t i o na m o u n t s r e a c h e d,m gg,r e s p e c t i v e l y T h e s u g a r c a n e b a s e db i o c h a rp r e p a r e db yHP Oa c t i v a t i o nc a nb e第 卷第期 年月南昌大学学报(理科版)J o u r n a l o fN a n c h a n gU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e)V o
15、l N o A u g a p p l i e dt ot h ea d s o r p t i o no fHSa n dNH,a n dh a dag o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t K e yW o r d s:s u g a r c a n e b a s e db i o c h a r;HS;NH;a d s o r p t i o n随着经济和社会的快速发展,大气污染问题愈发严重,硫化氢(HS)和氨气(NH)是种常见的恶臭异味气体.NH是一种典型的有毒有害碱性气态污染物,主要来源于农业生产、畜禽养殖、化肥制造以及橡胶加工等工农业
16、排放,对人体健康和生态环境都有极大的危害.NH与大气中的S O和NO x结合经过一系列物化作用形成光化学烟雾,因此大量NH的排放是产生雾霾和光化学烟雾的重要原因之一.HS是一种有毒且伴有臭鸡蛋味道的酸性气态污染物,主要来源于食品工业废气、含硫天然气和煤气、污水处理、垃圾填埋以及畜禽粪便堆肥过程中排放气体等.生产过程中HS的排放不仅对人体身心健康造成严重威胁,而且在工业生产中容易对储气设备以及输送管路造成腐蚀,严重影响产品质量.NH和HS的气味阈值非常低,其中NH的气味阈值为 ,HS的气味阈值为 ,所以即使浓度非常低,也易产生非常重的异味,同时即使低浓度的NH和HS也可刺激呼吸道、眼睛和皮肤,引
17、发头晕、呼吸困难,甚至引起人体慢性中毒,危害生命健康.因此,恶臭异味治理的关键之一在于如何高效净化和深度脱除气体中的NH和HS.目前,吸附法常用于低浓度NH和HS气体的去除.吸附法具有去除效率高、操作简单、稳定性强和易于维护等优点,.吸附材料主要有炭基材料、沸石、金属有机骨架以及多孔有机聚合物等,它们吸附性能较好,但沸石和金属有机骨架及多孔有机聚合物在改性过程中需要较高成本,阻碍了大规模的推广应用,在这些吸附材料中由于炭基材料具有比表面积大、孔隙度好、吸附性能强、成本低和物化性质稳定等显著优点被广泛应用.目前常用于制备炭基材料的生物质原材料主要是农业秸秆、木屑、果壳,甘蔗渣等,而甘蔗在我国南方
18、地区大面积种植,甘蔗渣是制糖业的副产品,每年产生的甘蔗渣超 万吨.因此采用甘蔗渣制备生物炭不仅可以避免资源的浪费,还可以进一步提升制糖产业的经济效益,实现资源循环利用,经济可持续发展.例如,G u o等 以甘蔗渣为原料,采用不同的活化剂制备多孔活性炭,制得的活性炭具有较高的比表面积(mg)和较大的孔体积(c mg),同 时 对C O的 吸 附 量 高 达 mm o lg.此外,也有许多研究人员经常采用各种改性制备方法改善生物炭的孔结构,增加其活性位点,作为吸附材料应用于气相吸附和废水处理中以提升其吸附效果 .然而,有关甘蔗基生物炭对HS和NH吸附去除的研究鲜有报道.本实验研究了以甘蔗渣为原料,
19、通过不同改性方法制备生物炭,采用S EM、氮气吸附脱附、元素分析测试等对生物炭样品进行了表征.在相同条件下探究不同改性甘蔗基生物炭对HS和NH吸附净化效果,筛选出吸附效果最佳的生物炭,进而研究不同吸附温度、不同进气浓度以及不同进气流量对穿透时间和吸附容量的影响,找出最佳改性方法和吸附条件,为甘蔗基生物炭应用于HS和NH废气污染治理提供一定的依据.材料与方法主要试剂和仪器甘蔗基生物炭,实验室自制;N()、NH()和HS(),混合平衡气为N;磷酸、氢氧化钾、碘、碘化钾、硫代硫酸钠、可溶性淀粉、浓盐酸、碘酸钾、无水碳酸钠,均为分析纯.复合气体检测仪(MP S)、电热恒温干燥箱(A S)、数显调速多用
20、振荡器(HY A)、管式加 热 炉(F UR NA C E )、物 理 吸 附 分 析 仪(A S A P )、场发射扫描电子显微镜(S )、德国e l e m e n t a r元素分析仪(v a r i oE l c u b e).甘蔗基生物炭制备直接炭化法甘蔗渣烘干后粉碎备用.分别称取 g甘蔗渣原料于石英舟中,放入管式电阻炉,在纯氮气保护下以m i n的速率升温至设定温度 ,并保持特定时间h.炭化结束后自然冷却至室温,收集生物炭,研磨备用.C O活化法称取以上 g直接炭化甘蔗基生物炭于石英舟中,放入管式电阻炉,在纯C O气体保护下以m i n的速率升温至设定温度 ,并保持特定时间h.活化
21、结束后自然冷却至室温,收集生物炭,研磨备用.HP O活化法称取 g粉碎后的甘蔗渣浸入含有 w t 第期刘明辉等:高性能甘蔗基生物炭制备及其对HS和NH吸附HP O的水溶液中 h,然后将生物质原料烘干后置于石英舟中放入管式电阻炉,在纯氮气保护下以m i n的速率升温至设定温度 ,并保持特定时间h.活化结束后自然冷却至室温,收集生物炭,研磨备用.最后将以上种生物炭分别加入 去离子水搅拌h,充分洗涤.HP O活化甘蔗基生物炭在洗涤过程中添加适量的w t KOH溶液淋洗,最后用去离子水冲洗抽滤至P H为左右.种生物炭洗净后放置于 烘箱内,干燥 h后称重保存以待表征.甘蔗基生物炭表征采用场发射扫描电子显
22、微镜(S EM)观察甘蔗基生物炭材料的表面形貌和微观结构.甘蔗基生物炭产率通过热解后生物炭的质量m与热解前称取生物质原料质量m的比值计算可得.采用元素分析仪(德国e l e m e n t a r公司v a r i oE l c u b e)测定甘蔗基生物炭的C、H、O、N、S含量.甘蔗 基 生 物 炭 对 碘 的 吸 附 实 验 参 照G B/T 木质活性炭试验方法碘吸附值的测定.生物炭的孔结构由美国麦克仪器公司的A S A P 自动物理吸附分析仪测定.以氮气为吸附剂,在 K下测定了生物炭对氮气的吸脱附等温线,并以此计算生物炭的比表面积和孔结构尺寸.测试前,称取g样品在 C温度下脱气h,采用
23、B J H(B a r r e t t J o y n e r h a l e n d a)孔径分布和B E T(B r u n a u e r Emm e t t T e l l e r)计算方法,在解吸模型上测量生物炭的比表面积.吸附实验实验采用固定床吸附装置吸 附去除HS和NH,装置如图所示.HS;NH;N;、流量计;气体混合器;加热炉;石英玻璃管;复合气体检测仪;废气集气罩.图HS和N H吸附装置流程图F i g F l o wc h a r t o fHSa n dN Ha d s o r p t i o np l a n t固定床由外径为 mm,内径为 mm,长为 mm的石英玻璃管
24、制成,实验时在石英玻璃管中装入g制备好的甘蔗渣基生物炭,生物炭上下部分装填石英棉.吸附实验开始时以 m Lm i n的气速分别通入含有NH和HS气体的实验气体,气体经过石英玻璃管后进入复合气体检测仪对HS和NH进行检测,每隔五分钟记录HS和NH的出口浓度,并准确记录穿透浓度和动态平衡吸附浓度的时间点,净化后的尾气通入实验室废气集气罩.依据检测结果计算穿透吸附容量、动态平衡吸附容量.当HS和NH的出口浓度为初始进气口浓度的 时视为穿透,当出口浓度与初始进气口浓度相同时则达到动态平衡吸附,穿透吸附容量和动态平衡吸附容量计算公式如式()所示:Qq Mw Vm(CttCtdt)()式中,Q为生物炭的穿
25、透容量/动态平衡吸附容量,m gg;q为进口气流量,m Lm i n;M为HS(NH)的摩尔质量,gm o l;W为吸附剂的填充质量,g;Vm为在某温度和气压下的气体摩尔体积,Lm o l;C为进口HS(NH)浓度,;t为穿 透(或 动 态 平 衡)时 间,m i n;Ct为 出 口HS(NH)浓度,.结果与讨论生物炭表征形貌、炭产率及元素分析图为甘蔗基生物炭的扫描电镜照片,图(a)和(b)分别为直接炭化和C O活化甘蔗基生物炭,形貌上没有明显的差别,均未见到规则的孔结构.由图(c)可见,HP O活化甘蔗基生物炭其孔结构丰富,可以看见规整的孔结构.图(c)中孔结构的存在可能是由于HP O活化过
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