文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
热解稻壳炭基多孔材料的制备、表征及应用基础
姓名:李大伟
申请学位级别:博士
专业:热能工程
指导教师:朱锡锋
2011-04-30
摘要
摘要
生物质快速热解液化是一种高效的生物质转化利用技术,而生物质热解炭的
高值化利用,是该技术产业化应用的关键影响因素之一。快速热解稻壳炭(PRH)
是一种典型的生物质热解炭,但目前关于 PRH 高值化利用的研究报道较为少见。
本文针对 PRH 制备多孔炭及多孔二氧化硅,开展的主要研究及取得的创新性结
果包括:(1)提出了 CO2 活化—碱液常压沸煮工艺高效利用 PRH,可以在无机
碱不需加热至高温且用量较小的情况下制得中孔率达 79%、50%的活性炭,还可
以联产硅酸钠或多孔二氧化硅;(2)研究了中孔率不同的两种自制活性炭对亚甲
基蓝的吸附特性;(3)采用聚乙二醇为模板剂,H3PO4 为酸化剂,在 10 h 内制得
了比表面积高达 1018 m2/g 的稻壳炭基多孔二氧化硅;(4)首次研究了稻壳炭基
多孔二氧化硅对 Cu(Ⅱ)的吸附特性。具体内容如下:
1、CO2 活化-碱液常压沸煮工艺制备高中孔率的稻壳活性炭
提出先用 CO2 活化 PRH 的炭化物,再用碱液常压沸煮,制取活性炭;通过
正交试验考察了制备条件对活性炭碘值的影响;探讨了孔隙发育机理。结果表明,
采用该工艺,无机碱不需经历高温过程,利于降低耗碱量,并可制得中孔率高达
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79%的稻壳活性炭,其孔容积、比表面积分别达到 cm /g、899 m /g;CO2
活化时间对活性炭碘值的影响最大;孔隙发育机理主要在于 CO2 脱除了炭基体
中的 C,使得孔隙初步发育,之后,碱液沸煮脱除了二氧化硅,使得孔隙进一步
发育。
2、热解稻壳炭联产硅酸钠和活性炭
为以较低的耗碱量在常压下联产出二氧化硅含量高、模数大的硅酸钠,以及
比表面积大于 800 m2/g 的活性炭,采用 Doehlert 实验设计、Derringer 渴求函数、
响应面模型相结合的方法优化 CO2 活化-碱液常压沸煮工艺。结果表明,最佳联
产条件为取用 1 mol/L 的 NaOH 溶液、 mL/g 的液固比;该条件下可得模数为
的硅酸钠,以及比表面积为 897 m2/g、中孔率为 50%的活性炭;该活性炭对
苯酚及 Ni2+的吸附量均显著超越了优质商业活性炭。
3、不同中孔率的稻壳活性炭对亚甲基蓝(MB)的吸附特性
通过批量吸附实验,考察了中孔率为 79%、50%的自制活性炭对 MB 的吸附
特性,结果表明,当 MB 的初始浓度不大于 280 mg/L 时,两种自制活性炭的吸
附量均达到了优质商业活性炭的水平;在 MB 初始浓度为 310-380 mg/L 时,两
种自制活性炭的脱除效率均高于 86%。
4、热解稻壳炭快速制备大比表面积多孔二氧化硅
I
摘要
利用最佳联产条件下所得的硅酸钠,以聚乙二醇(PEG)为模板剂,制得了
多孔二氧化硅;研究了 PEG 用量及 pH 值对多孔二氧化硅孔隙结构的影响规律
及影响机理。结果表明,在较短的时间内(<10 h),可以制得比表面积高达
709-1018 m2/g 的稻壳炭基多孔二氧化硅;增大 PEG 用量、降低 pH 值均能显著
提高多孔二氧化硅的比表面积,其机理在于,增大 PEG 用量或降低 pH 值,均
能显著提高 PEG-二氧化硅复合材料中的 PEG 含量,致使更多 PEG 被烧除,形
成更为发达的孔隙。
5、稻壳炭基多孔二氧化硅对 Cu(Ⅱ)的吸附特性
以稻壳炭基多孔二氧化硅为吸附剂,在对其进行表征的基础上,通过批量吸
附实验,考察了它对重金属离子 Cu(Ⅱ)的吸附特性,并探讨了吸附机理。研
究表明,在 Cu(Ⅱ)初始浓度为 20-120 mg/L 时,稻壳炭基多孔氧化硅对 Cu(Ⅱ)
的最大吸附量、最高脱除效率分别达到 77 mg/g、97 %;多孔二氧化硅对 Cu(Ⅱ)
的吸附较好地符合 Freundlich 等温线和准二级动力学模型;多孔二氧化硅表面硅
羟基与 Cu(Ⅱ)之间的相互作用,是 Cu(Ⅱ)被吸附的重要原因。
关键词:热解稻壳炭活性炭多孔二氧化硅亚甲基蓝重金属硅酸钠
吸附中孔稻壳
II
Abstract
ABSTRACT
High value-added utilization of char from biomass pyrolysis is a key factor for
industrializ