棉秆活性炭去除水溶液中甲醛的研究.doc

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1、 石河子大学毕业论文石河子大学毕业论文 棉秆活性炭去除水溶液中甲醛的研究棉秆活性炭去除水溶液中甲醛的研究 院院 （系）：（系）： 化学化工学院化学化工学院 专专 业：业： 应应 用用 化化 学学 学学 号：号： 20053016 姓姓 名：名： 唐唐 继继 平平 指导教师：指导教师： 鲁鲁 建建 江（教授）江（教授） 完成日期：完成日期： 2009 年年 6 月月 3 号号 石河子大学化学化工学院 2009 届本科毕业论文 1 棉棉秆秆活性炭去除水溶液中甲活性炭去除水溶液中甲醛醛的研究的研究 学生:唐继平 指导教师：鲁建江 摘要摘要 本实验以棉花秸秆为原料，以微波为能量，采用氢氧化钾为活化剂生

2、产活性炭。研究了活化剂 与原料的浸泡比例、微波功率、辐照时间等操作条件对活性炭吸附能力的影响，以单因素方法得出活 性炭生产的最佳工艺条件，研究表明，浸泡比例为 0.6:1.0，浸泡时间 24h，活化时间为 10min，微波功 率为 680 W 的条件下，可得到活性炭碘吸附值为 1128. 07 mg/g、亚甲基蓝吸附值为 19.8 mg/0.1g，活 化得率 26. 67%。 将实验产品采用傅立叶红外光谱、比表面积测定仪、扫描电镜等技术，分别对氢氧化钾活性炭 的表面化学基团、比表面积、孔容、孔径分布等表观特性进行分析，确定吸附剂的种类。结果表明：活 性炭表面布满了不同大小、不同形状的孔洞以及不

3、同的化学官能团，BET 比表面积为 529.33 m2/g， 通过 BJH 对全孔分布进行表征，该活性炭中孔发达。 最后将实验产品与其他两类棉秆活性炭经过预处理后用于去除水溶液中甲醛的吸附实验，并研 究了在不同活性炭加入量、吸附 pH 值、吸附温度、初始质量浓度和吸附时间等条件下，活性炭吸附 甲醛溶液的规律。结果表明氯化锌活性炭、磷酸活性炭、氢氧化钾活性炭对甲醛的吸附量随着 pH 值、 初始质量浓度、活性炭加入量的升高呈上升的趋势；随温度的升高，吸附量呈下降的趋势。由吸附等 温公式、吸附动力学、吸附热力学的拟合结果显示，活性炭对甲醛的吸附接近于 Freundlich 模型的非 均一的单层吸附行

4、为，说明吸附是一复杂的过程，不是单一的物理或化学吸附。 关关键词键词: 棉花秸秆；微波；KOH 法；活性炭；甲醛 石河子大学化学化工学院 2009 届本科毕业论文 2 Abstract In this study, the activated carbon prepared from cotton stalk with KOH as activation was investigated under microwave radiation. Effects on the yield and absorption capacities of activated carbon resulted f

5、rom soaking ratio of activation and raw material, microwave power, microwave radiation time and other operative conditions were studied. It indicated that the optimum conditions were as follows: microwave power of 680W, microwave radiation time of 10min, impregnation time of 24 hours and the impregn

6、ation ratio of KOH was 0.6g/g. Iodine number, amount of methylene blue adsorption and the yield of activated carbon prepared under optimum conditions were 1128. 07 mg/g, 19.8 mg/0.1g and 26.67%, respectively. Laboratory prepared activated carbons were characterized by SEM, FT-IR, SBET and pore struc

7、tural parameters. SEM micrographs showed that the external surface of the AC was full of cavities, FT-IR spectrum of starting material showed many peaks belonging to different functional groups, and the SBET of AC was 529.33 m2 / g, which was mesoporesolid. Finally, zinc chloride activated carbon, p

8、hosphoric acid activated carbon and KOH activated carbon as adsorbents for the removal of from formaldehyde aqueous solutions under varying conditions of carbon dosage, initial concentration, pH value, temperature and time. The results gained from the experiment show that the adsorptive quantities o

9、f three kinds of activated carbon were all increased with the increase of pH values, carbon dosage and initial concentration. However, the adsorptive quantities were decreased with the temperature rise. Freundlich isotherm was fi tter than Langmuir isotherm, and Freundlich model closer to the non-un

10、iform single-layer adsorption behavior shows that adsorption is a complex process, not a single physical or chemical adsorption. Keywords: cotton stalks; microwave; KOH method; activated carbon; formaldehyde 石河子大学化学化工学院 2009 届本科毕业论文 1 目目录录 摘要摘要.1 ABSTRACT.2 第一章第一章 文献文献综综述述.1 1.1 引言 1 1.2 活性炭 1 1.3 活

11、性炭的生产方法 2 1.3.1 活性炭的活化方法2 1.3.2 活性炭的炭化方法3 1.4 微波制备棉秆活性炭的可行性 7 1.5 本论文的研究内容及研究的意义.7 第二章第二章 实验实验部分部分.9 2.1 实验所需的药品与试剂 9 2.2 实验所需的仪器设备 10 2.3 实验原料、装置、流程及实验步骤.10 2.3.1 实验原料10 2.3.2 实验装置11 2.3.3 实验流程11 2.3.4 实验步骤12 2.4 实验方法.12 2.4.1 活性炭的制备方法12 2.4.2 棉秆活性炭的理化特性评价12 2.4.3 棉秆活性炭去除水中甲醛13 2.5 分析测定方法.13 2.5.1

12、活性炭产率的计算13 2.5.2 活性炭碘吸附值的测定方法14 2.5.3 活性炭亚甲基蓝吸附值的测定方法14 2.5.4 甲醛浓度的测定14 第三章第三章 结结果与果与讨论讨论.15 3.1 操作条件对微波KOH 法生产棉花秸秆活性炭的影响.15 石河子大学化学化工学院 2009 届本科毕业论文 2 3.1.1 KOH 与棉花秸秆浸泡比例的影响.15 3.1.2 微波功率的影响16 3.1.3 辐射时间的影响18 3.2 棉花秸秆活性炭理化特性分析 20 3.2.1 活性炭的 pHzpc（pH 等电点）测定20 3.2.2 红外光谱仪测活性炭的表面化学结构21 3.2.3 电镜扫描分析活性炭

13、22 3.2.4 活性炭比表面积与孔径分布的测定22 3.3 不同棉花秸秆活性炭吸附水中甲醛能力的研究 23 3.3.1 操作条件对不同棉花秸秆活性炭吸附水中甲醛的影响23 3.3.2 活性炭对甲醛的吸附等温线研究26 3.3.3 活性炭对甲醛的吸附动力学研究29 3.3.4 活性炭对甲醛的吸附热力学研究32 第四章第四章 结论结论与展望与展望.37 4.1 结论 37 4.2 展望 37 参考文献参考文献.39 致致 谢谢.42 石河子大学化学化工学院 2009 届本科毕业论文 1 第一章第一章 文献文献综综述述 1.1 引言引言 我国是一个农业大国，农作物播种面积居世界第一，而农业废弃物秸

14、秆 是农业生产的最大副产品，一般的作物秸秆与籽实的重量比为 111，据统 计我国秸秆年产量达 6 亿多吨2。秸秆作为农业的副产品，是一种有用的资 源，我国很早就把农作物副产物秸秆作为燃料、饲料和废料使用。此外，如 果秸秆燃烧充分，还是一种清洁和可再生的能源3。为合理利用这一丰富的 农业资源，人们研究开发出多种利用方法，但由于种种原因，目前真正得到 应用的却不多，有待开发更加有效的利用途径，尤其是适宜于工业化处理的 利用技术4，这样不仅可以缓解或解决农作物废料对环境的污染问题，而且 可以充分利用农业资源、实现可持续发展。这一课题己成为世界各国竞相开 展的研究对象，对保护生态环境、发展经济具有重要

15、的意义。新疆拥有丰富 的棉秆资源而得不到有效的利用，为活性炭生产找到了比较廉价可得的新 型原料，增加了农业废料的附加值，缓解了我国木材资源短缺的矛盾，同时 解决了大量棉秆堆放占用大量土地的问题。 1.2 活性炭活性炭 根据国际纯粹化学和应用化学联合会(IUPAC)的定义，活性炭是指炭在 炭化时、炭化前、炭化后经与气体或化学品作用以增加吸附性能的多孔的炭 5。它是一种应用极为广泛的人造吸附材料，其历史可追溯到二十世纪初。 1900 年，Raphael von Osrtejk 以金属氯化物炭化植物原料或用二氧化碳、水 蒸气与炭化材料反应制造活性炭，并取得英国和德国专利。之后活性炭在工 业领域得到了

16、广泛的应用，包括空气和气体的净化、气体分离、液体和溶液 的脱色与净化、水处理、作为催化剂和催化剂载体、医学上的应用以及其他 应用等七个方面6。 活性炭的吸附性能主要由其孔隙结构决定。活性炭的孔隙结构通常分 为小孔(微孔，孔隙半径 2 nm 以下)、中孔(过渡孔，孔隙半径 2-100 nm)和大 孔(孔隙半径 100-10000 nm)。孔隙大小不同，它在吸附过程中所起的作用也 就不同。在活性炭的吸附过程中，大孔主要为吸附质的扩散提供通道作用， 使吸附质通过此通道扩散到中孔和小孔中去，因此吸附质的扩散速度受大 石河子大学化学化工学院 2009 届本科毕业论文 2 孔影响；中孔除了起为吸附质的扩散

17、提供通道、使吸附质扩散到小孔中的作 用外，对于分子直径较大的吸附质也具有吸附作用；小孔对于活性炭是最重 要的，活性炭的吸附容量主要受小孔支配7。 与其它吸附剂相比，活性炭具有巨大的比表面积和特别发达的小孔，吸 附作用主要就发生在小孔的表面上。每克吸附剂所具有的表面积称为比表 面积，活性炭的比表面积常在 500-1700 m2/g 有的甚至达到 2500 m2/g 8，这 是活性炭吸附能力强、吸附容量大的主要原因。因此，在比较活性炭性能的 优劣时常常需要考察比表面积和孔径这两项理化指标。 1.3 活性炭的生活性炭的生产产方法方法 活性炭的生产需要经过炭化和活化两个阶段，木材、煤、泥炭等许多来 自

18、植物的原材料成为炭的前驱体，在几百摄氏度的温度下进行炭化后，再经 过活化过程就能获得比表面积较大的活性炭成品。 1.3.1 活性炭的活化方法活性炭的活化方法 一般来说活性炭可以通过以下几种活化方法获得： 1.3.1.1 气体活化法气体活化法 把用通常的炭化方法获得的炭化产物与适当的气体状态的物质进行反 应的方法。 常见的活化气体有水蒸气、二氧化碳、氧气以及它们的混合气体。水蒸 气活化是应用较为广泛的一种方法，反应一般在 750 以上进行5，气体活 化法以消耗碳原子来形成孔隙结构，因此得率较低。同时活化时传热不均可 能造成产品质量的不稳定，其工艺特点是活化温度高、设备投资大，但对环 境无污染。

19、1.3.1.2 药药品活化法品活化法(化学法化学法) 通过添加影响热分解过程的活性物质等手段炭化可以炭化的材料的方 法。在化学活化法中，通常是把原料与活化剂的浓溶液混合、搅拌、加热升 温，使原料中的纤维之类发生分解，而后用挤压成型装置进行成型，混合后 的原料在回转炉中加热(又叫做炭活化)变成热解产物，然后将回转炉中炭活 化过的产物冷却后浸提除去活化剂。广泛使用的化学活化剂有氯化锌、磷酸、 硫酸、氯化钙、氢氧化钾等对原料具有脱水作用、侵蚀作用的化学药品，以 石河子大学化学化工学院 2009 届本科毕业论文 3 及重铬酸钾、高锰酸钾等具氧化性的化学药品。这些活化剂对原料的作用各 不相同，但共同的是

20、通过添加这些活化剂降低了炭化温度，使原料中的碳氢 化合物所含有的氢与氧以水的形态分解脱离，这样一来除去活化剂以后所 得到的活性炭便具有特殊的化学性质。 化学活化通常在 400-1000 的温度下进行，KOH 法的最适合活化温 度是 600-700 ，活化温度比气体法(物理法)低，可以促进多孔性结构的发 展。 化学药品与碳材料的活化反应是一个复杂的过程，目前还有许多不明 之处。以 KOH 活化为例，碳材料与 KOH 的主要反应方程为9 ： 4KOH+C K2CO3+H2O+2H2 化学活化法的工艺特点是活化温度低，可使炭化和活化在同一时间完 成，易对产品的孔隙结构进行调整，可以形成尺寸更小的碳微

21、晶和细小的孔 隙结构，使得活性炭的空隙结构更发达，吸附性能更好。且该法易操作、能 耗小、可回收某些活化剂，同时炭的损失小、相对得率高。但其产品经过一 定的洗涤步骤仍然残留部分化学活化剂，使得其应用受到了一定的限制。同 时该法对设备腐蚀性大，易对大气和水体产生污染10。 1.3.1.3 化学物理活化法化学物理活化法 在实践中也常常把这两种方法结合起来生产活性炭，称为化学物理活 化法。如为了进一步增加孔径，把化学法生产出来的活性炭再用水蒸气进行 活化就属于此例。常用的添加剂有硫酸亚铁、氢氧化钠、氧化亚铜、碳酸钠 等5。用这些方法生产的活性炭不仅具有各种活化方法所特有的孔径分布， 而且活性炭的表面结

22、构也发生了变化，成为具有特殊性能的活性炭。 化学物理活化法发挥了气体活化法与药品活化法各自的优点，因此成 为世界各国科学家研究的热点，包括我国在内的许多国家都在研究、探讨将 化学药品法和气体活化法结合起来，用新型造粒活性炭的生产过程生产出 孔隙结构更加合理发达、吸附性能更优越、用途更广泛的粒状活性炭产品， 这是活性炭生产发展的一种新趋势。 此外，处于研究水平的还有铸型法、聚合体烙印法及溶胶、凝胶法等多 种制造方法。但在制造成本、活性炭的性能等方面存在一些问题，尚未达到 工业化水平。 石河子大学化学化工学院 2009 届本科毕业论文 4 1.3.2 活性炭的炭化方法活性炭的炭化方法 在常规的活性

23、炭生产工艺中，都是从原料外部开始由表及里地进行加 热，须经过相当长的工艺时间，才能完成炭化一活化的工艺过程，以形成发 达的孔结构。活性炭产品受工艺技术的限制，其优质率、合格率不高，生产 能耗较大，操作条件较差，污染环境。微波辐射制造活性炭是新近发展起来 的一项新技术，它充分利用微波辐射的选择性加热、升温迅速、易自动化控 制等特性，无须对炉体本身进行加热，无额外热量消耗，可极大限度地利用 加热能源，显著降低能耗；自动化程度高，可显著克服传统工艺中存在的问 题1113。 1.3.2.1 微波加微波加热热原理原理 微波通常是指 30 GHz-300 MHz 间的电磁波，波长范围从 1 cm-1 m，

24、 与无线电波、红外辐射、可见光等同属于电磁波，它们间的主要区别在于频 率不同，与无线电波相比微波的频率更为微小，故称之为微波14。微波作用 到物质上时，可能产生极化现象，所谓极化现象是指电介质在置于交变的电 场之中时，原本无规则排列的极性分子取向随着电场的极性变化而变化的 过程。极化现象可分为电子极化、原子极化、界面极化及偶极(间隔一定距离 的等量的异性电荷)转向极化等多种类型，其中偶极转向极化对物质的加热 起主要作用。极性电介质的分子在无外电场作用时，偶极矩在各个方向的几 率相等，宏观偶极矩为零，在外加微波电磁场的作用下，原来杂乱无章的极 性分子随之快速改变方向，物质的偶极子与电场作用产生转

25、矩，分子或原子 的电子云发生偏移导致偶极子发生运动，呈现正负极性，宏观偶极矩不再为 零，这就产生了偶极转向极化。由于电磁场的变化速度高达 24.5 亿次，偶极 转向极化不具备迅速跟上交变电场的能力而滞后于电场，导致材料内部功 率耗散，高速的轮摆运动，使分子间摩擦产生热能，由此使得物质本身加热 升温15。 。 1.3.2.2 微波加微波加热热的特点的特点 传统加热方式是通过辐射、对流及传导由表及里进行加热，为避免温度 梯度过大，加热速度往往不能太快，也不能对处于同一反应装置内混合物料 的各组分进行选择性加热。与传统加热方式相比，微波加热有以下特点16： (1)微波加热是物质在电磁场中因本身介质损

26、耗而引起的体积加热，可 实现分子水平上的搅拌，加热均匀，温度梯度小。 石河子大学化学化工学院 2009 届本科毕业论文 5 (2)物质吸收微波能的能力取决于自身的介电特性，通常材料的介电性 能由温度、水分含量、密度和材料的形状决定17。因此可对混合物料中的各 个组分进行选择性加热，从而提高反应的选择性。 (3)微波加热无滞后效应，当关闭微波源后，再无微波能量传向物质，利 用这一特性可进行对温度控制要求很高的反应。 (4)微波加热能量利用效率很高，物质升温非常迅速，运用得当可加快 处理物料速度，但若控制不好也会造成不利影响。并非所有材料都能被微波 加热，根据材料对微波的吸收特性，可将材料分为 3

27、 类：导体(反射)、隔热体 (穿透)、吸收体(吸收)。吸收微波的材料称为电介体，因此微波加热又称电介 加热。在常见物质中，金属导体反射微波而极少吸收微波能，所以可用金属 屏蔽微波辐射，以减少对人体的危害；玻璃、陶瓷等能透过微波，本身产生 的热效应极小，可用作反应器材料；大多数有机化合物、极性无机盐及含水 物质的介电常数较大，同微波有较强的祸合作用，能很好吸收微波，使温度 迅速升高。可以看出物质在微波场中所产生的热量大小与物质种类及其介 电特性有很大关系，即微波对物质具有选择性加热的特性18。 1.3.2.3 微波制微波制备农业废备农业废弃物吸附材料的国内外研究弃物吸附材料的国内外研究进进展展

28、由于农业废弃物产生量大面广，很难有一种处理利用方法占有统治地 位。在前述各种方法中，很多方法都存在一个缺点，那就是植物原料经处理 后，只利用了分离提取出的一部分原料，其它则浪费掉了，可能产生二次污 染；同时各种处理工艺在后续工序和物料转化利用率、产品得率、成本等方 面还有很多不尽如人意的地方。因此如何充分利用秸秆资源、开发更加有效 的利用途径，尤其是适宜于工业化处理的利用技术被提到了议程上来。 利用农业废弃物生产活性炭吸附材料的研究成为各国科学家研究的热 点。活性炭是一种人造吸附材料，被广泛应用于产品制造、医学治疗及环境 保护等领域19是国民经济建设和人们日常工作中不可缺少的产品。传统的 活性

29、炭制备多以木材、木炭、木屑、椰子壳、果核为原料，随着可持续发展观 念的深入人心及国家禁止砍伐自然林政策的实施，致使木材、木炭来源萎缩， 制备活性炭的原料受到限制，价格也呈上涨趋势20。在此情况下寻找替代 材料成为当务之急。近年来以棉壳、稻壳、豆杆、玉米芯、玉米秸秆等农业废 料为原料制备活性炭的相关研究成为科学家关注的焦点，该技术不仅解决 了大量的农业废料占用土地、无处堆放的矛盾，还实现了变废为宝、资源再 生，开辟了活性炭原料的新来源。 石河子大学化学化工学院 2009 届本科毕业论文 6 以农业废弃物为原料生产活性炭的研究中，W. T. Tsai 等以玉米芯为 原料、氯化锌作为活化剂，在直接以

30、电炉加热的条件下制备活性炭，考察了 热解温度、浸泡时间、氯化锌与玉米芯的浸泡比例等因素的影响，发现玉米 芯是氯化锌化学活化生产活性炭的合适原料21：该研究小组还以甘蔗渣为 原料、氯化锌活化制备活性炭，并将其应用于对酸性染料的吸附22；Abdel- Nasser A 在 500下对玉米芯进行炭化，然后再以水蒸气活化或磷酸活化生 产活性炭，该种活性炭对亚甲基蓝和 Pb+2均具有较高的吸附能力23；Chilotn Ng 检测了以山核桃壳和甘蔗渣为原料、水蒸气活化所得到的活性炭的理化 特性，并与煤基活性炭进行了比较，发现两种农业废弃物活性炭的理化特性 和吸附性能与商业活性炭相似，因此极有可能取代商业活

31、性炭用于对某些 水环境污染物的去除24。 在国内，云南昆明理工大学的彭金辉所领导的课题小组曾以蚕豆杆、玉 米芯、烟杆、麦秸、竹节、松木屑、棉杆、稻杆、瓜子壳、甘蔗渣等为原料，以 水蒸气活化或以磷酸、氯化锌作为活化剂在微波辐照下制取活性炭，得到产 品的亚基蓝脱色力可以达到国家一级品标准(LYZ16-79)的 1.33-1.5 倍25-35； 刘洪波等采用竹节作为原料，以氢氧化钾活化制得比表面积高达 2610 m2/g 的活性炭，为普通活性炭的 2-3 倍36；广西师范大学新技术新材料研究所的 蒙冕武等用松木屑、甘蔗渣为原料，采用正交试验方法对影响活性炭性能的 因素如活化剂、添加剂、微波功率及处理

32、时间等进行了系统研究，得到磷酸- 微波法制备活性炭的最佳工艺条件，并用热分析方法对样品进行了表征分 析，其活性炭产率为 44%47.5%、亚甲基蓝脱色力可达到 1824 ml/0.1g37,38；张志航等也以甘蔗渣为原料、氯化锌作为活化剂，在马弗炉四 川大学硕士学位论文加热的条件下从 300-500连续升温活化 47 min 可 以得到亚甲基蓝吸附值为 11.9 ml/0.1g 的产品39；张宁等系统研究了以油茶 壳为原料，采用氯化锌活化制备活性炭的最佳条件，并提出了一种降低活性 炭灰分含量的方法40；郭玉鹏等以稻壳为原料、氢氧化钾为活化剂，在密闭 干馏、高温活化的情况之下制备生产出了比表面积

33、高达 3000 m2/g 的活性炭， 且孔径均一、孔分布较窄41；李梦青以椰壳为原料，分别采用 CO2、KOH、ZnC12、H3PO4；活化的方法生产活性炭，测定了 25下甲烷在 样品上的吸附曲线并进行了比较42；王泉清以马弗炉加热、磷酸活化制备玉 米秸秆活性炭，其产品产率为 48.8 %、亚甲基蓝吸附值达到 16 ml/0.1 g43。 石河子大学化学化工学院 2009 届本科毕业论文 7 显然，从国内外的研究进展中发现，以农业废弃物为原料生产活性炭的 材料非常广泛，包括蚕豆杆、玉米芯、玉米秸秆、烟杆、麦秸、椰壳、油茶壳、 甘蔗渣、稻壳、棉杆、稻杆、松木屑、瓜子壳、竹节等多种，涉及农业生产的

34、 多个方面；活性炭的活化方法主要包括水蒸气活化和化学活化两大类，化学 活化的活化剂主要有氢氧化钾、氯化锌和磷酸三类，以 KOH 作为活化剂的 方法比较成熟，因此应用较为广泛；在加热热源方面，主要有普通加热与微 波加热两种方式，传统的制备方法多以马弗炉加热制备活性炭，由于采用外 部加热的方式，加热时间长，热利用率低，环境污染大，而微波法是内部加 热，加热时间短，所需时间仅为传统工艺的 1/24-1/60，热利用率高，并且易 于控制，因此成为活性炭生产制备新的研究方向。 1.4 微波制微波制备备棉棉秆秆活性炭的可行性活性炭的可行性 在本研究中活性炭制备原料棉花秸秆系多孔性物质，孔隙中充满空气， 是

35、电与热的不良导体，其介电常数很低，属弱吸波物质。但是如果混合物中 某一组分具有吸波性质，在微波作用下就可以驱使它和不具有吸波性质的 另一组分发生固态化学反应。利用这一原理，本实验所用棉花秸秆虽为弱极 性物质，但作为活化剂使用的 KOH 和作为溶剂使用的水均为极性物质，这 样一来就大大增加了物料的介电热效应和配合效应，使活化反应得以进行， 这就为以微波介入制造活性炭的化学反应提供了可能性。 1.5 本本论论文的研究内容文的研究内容及研究的意及研究的意义义 在我国，住宅室内空气中的甲醛污染比较严重，研究治理甲醛的吸附方 法正是热点，近年来，随着室内装修和轿车配置的高档化，产生了许多负面 影响，装修

36、、装饰、配置的新材料的使用，如人造板、化纤纺织物、塑料等， 逐渐释放许多有害气体。主要成分是甲醛、苯系物、氨气、有机挥发物及放 射性氡等, 它不断地从人造板材及墙壁涂料中释放出来，并在室内积累, 当 人吸入甲醛后，会出现头痛、疲倦、咳嗽、哮喘等症状，严重危害人们的身心 健康。 甲醛是一种无色，有强烈刺激性气体的气体，易溶于水、醇和醚。在常 温下是气态，易挥发，已被世界卫生组织定为致癌致畸物质44。装修材料家 具中的胶合板、大芯板、中纤板、刨花板的胶粘合剂含有甲醛，遇热或潮解 石河子大学化学化工学院 2009 届本科毕业论文 8 时甲醛就释放出来。粘合剂中的甲醛释放期很长，一般长达 15 天。长

37、时期 接触低浓度甲醛，会引起呼吸道疾病，引起鼻咽癌、结肠癌等，儿童和孕妇 对甲醛尤为敏感，危害也就更大。会引起新生儿染色体异常、白血病、青少 年记忆力下降、妊娠综合症、月经紊乱等。 目前国内除去甲醛的方法有化学法、光触媒分解法、吸附法。化学法是 将化学试剂渍洒在空气中或家具里与甲醛发生化学反应达到清除目的。由 于毒气是缓慢释放的，化学法只能瞬间完成，不可能不停喷洒药剂，所以其 效果并不理想，且除去的气体较单一。光触媒分解法需用紫外光和专业人员， 中间产物有毒。吸附法是利用活性炭长时间不断吸附，没有二次污染。活性 炭作为一种吸附剂，具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，可以耐强酸， 强碱，能经受水

38、浸、高温、高压作用，具有去除空气中臭味、色度、有机氯、 ABS(烷基苯磺酸钠、合成洗涤剂)、铁、锰以及植物分解产物或有机污染而 产生的颜色的功能。不仅被广泛用于吸附新居室内空气中以及持续释放到 空气中的甲醛、苯系物、氨气、有机挥发物及放射性氡等有毒有害气体，而 且在净化空气的任何场所大量地使用。 新疆是中国产棉大省，棉花秸秆资源非常丰富。仅 2008 年，新疆棉花 年产量可达 200 万吨以上，相关棉花秸秆产量可达 1000 万吨以上45。大量 的棉花秸秆被烧掉或者被埋在地里，得不到有效的利用。本实验就是在新疆 拥有丰富的棉秆资源而得不到有效的利用的情况下开展的，为活性炭生产 找到了比较廉价可

39、得的新型原料，增加了农业废料的附加值，缓解了我国木 材资源短缺的矛盾，同时解决了大量棉秆堆放占用大量土地的问题。这样以 来开发利用棉花秸秆制备活性炭46,47有着重要的意义。 因此，该研究拟以新疆本地区最常见的棉花秸秆为原料，采用化学活化 方法来制活性炭，进而制备我们的产品吸附剂，并将实验产物用于对水 中甲醛的吸附实验。 石河子大学化学化工学院 2009 届本科毕业论文 9 第二章第二章 实验实验部分部分 2.1 实验实验所需的所需的药药品与品与试剂试剂 表 2-1 实验药品 Table 2-1 Experimental Drugs 药品名称 级别 生 产 厂 家 纯度 盐酸 分析纯 天津市富

40、宇精细化工有限公司 36-38% 浓硫酸 分析纯 天津市富宇精细化工有限公司 98% 无水乙醇 分析纯 天津市富宇精细化工有限公司 99.7% 氢氧化钠 分析纯 天津市富宇精细化工有限公司 96.0% 氢氧化钾 分析纯 天津市富宇精细化工有限公司 82.0% 氯化锌 分析纯 天津市北方天医化学有限公司 98.0% 磷酸 分析纯 天津市富宇精细化工有限公司 98.0% 碘化钾 分析纯 天津市北方天医化学有限公司 99.0% 碘 分析纯 上海四试赫维化工有限公司 99.5% 磷酸二氢钾 分析纯 天津市天新精细化工开发中心 99.5% 磷酸氢二钠 分析纯 天津市天达净化材料精细化工厂 99.0% 硫

41、代硫酸钠 分析纯 天津市福晨化学试剂厂 99.8% 无水硫酸铜 分析纯 西安化学试剂厂 99.0% 重铬酸钾 分析纯 西安化学试剂厂 98.5% 亚甲基蓝 分析纯 天津市天新精细化工开发中心 99.0% 可溶性淀粉 分析纯 天津市福晨化学试剂厂 98.5% 甲醛 分析纯 成都市科龙化工试剂厂 37-40% 乙酰丙酮 分析纯 天津市光复精细化工研究所 98.0% 冰乙酸 分析纯 天津市光复科技发展有限公司 99.5% 乙酸铵 分析纯 天津市新精细化工开发中心 98.0% 石河子大学化学化工学院 2009 届本科毕业论文 10 2.2 实验所需的仪器设备实验所需的仪器设备 表 2-2 实验仪器 T

42、able 2-2 Experimental apparatus 仪 器 名 称 型 号 生 产 厂 家 恒温水浴锅 DK-8D 上海精宏实验设备有限公司 电子天平 BS124S Sartorius 仪器有限公司 循环水式真空泵 SHZ-C 巩义市英峪予华仪器厂 恒温加热磁力搅拌器 CL-2 型 巩义市英峪予华仪器厂 微波炉 T120 顺德惠而浦家电制品有限公司 粉碎机 9FZ-15B 温岭市大众电器厂 电热恒温鼓风干燥箱 GZX-9140MBE 上海博迅有限公司医疗设备厂 恒温磁力搅拌器 SH21-2 型 上海梅颖浦仪器仪表有限公司 可见分光度计 722N 上海精密仪器科学有限责任公司 超声波

43、清洗仪 KQ5200B 昆山市超声仪器有限公司 红外光谱分析仪 360 FT-IR R.S.P 美国 Nicolet 公司 扫描电子显微镜 JSM-6490LV 日本电子公司 自动物理化学吸附仪 ASAP2020 美国电子公司 2.3 实验实验原料、装置、流程及原料、装置、流程及实验实验步步骤骤 2.3.1 实验实验原料原料 棉花秸秆：实验采用新疆石河子市郊区（2008 年产）的棉花秸秆为原料， 自然风干（一周）后粉碎备用。 氯化锌棉秆活性炭：微波功率 560 W，辐射时间 9 min，氯化锌与棉秆质 量之比为 1.61，浸泡时间 24 h 条件下制备得到。 磷酸棉秆活性炭：微波功率 400

44、W，辐射时间 8 min，磷酸与棉秆体积质 量之比为 2.51，浸泡时间 24 h 条件下制备得到。 石河子大学化学化工学院 2009 届本科毕业论文 11 2.3.2 实验实验装置装置 棉秆活性炭微波辐照装置见图 2-1。 。 图 2-1 微波加热制备活性炭实验装置示意图 Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus for preparation of activated carbon by microwave heating 2.3.3 实验实验流程流程 该实验采用的工艺流程如图 2-2 所示 图 2-2 微波加热棉秆 KOH 法制备

45、活性炭及吸附甲醛工艺流程图 原料 浸泡微波辐射漂洗烘干 粉碎过筛产品 碘吸附值的测定亚甲基蓝吸附值的测定 最优产品吸附甲醛溶液 吸附等温线 吸附动力学 吸附热力学 活化剂 石河子大学化学化工学院 2009 届本科毕业论文 12 Fig.2-2 Preparation of activated carbon from cotton stalk by microwave assisted KOH activation and Adsorption formaldehyde process flow diagram 2.3.4 实验实验步步骤骤 以自然风干棉花秸秆为原料，粉碎后称取一定数量的干燥原料

46、放入锥 形瓶中，按照设定的实验条件添加活化剂 KOH，用玻棒将其充分搅拌后进 行浸泡，使原料尽可能浸泡充分；浸泡 24 小时之后，放入 T120 型微波发生 装置内，通过外控的变压器调节电压，从而改变微波功率，以达到所需要的 数值；同时控制微波作用时间，完成炭化和活化过程。在反应过程中，将锥 形瓶加盖以杜绝氧化反应发生，影响产物质量。 将锥形瓶从微波炉中取出，自然冷却至室温，实验产物由锥形瓶转移至 烧杯中，用蒸馏水反复清洗，直至 pH 试纸显示呈现中性46,47，用中速滤纸 过滤，将过滤后产物放入烘箱，在 105 条件下烘干 23 小时，冷却后用 光电天平准确称重，计算活性炭的产率。将干燥好的

47、产物用研钵研碎，过 140 目筛12，用筛下物进行活性炭碘值与亚甲基蓝吸附值的检测，余下产品 装入密封袋保存备用。 称取适量的活性炭，放在蒸馏水中浸泡 24 h，然后放在 103 烘箱内烘 干 24 h。将含有甲醛的待吸附水样加入锥形瓶中，测定其 pH 值，并记录水 样的温度。然后加入一定量活性炭于锥形瓶中，把锥形瓶放入水浴恒温振荡 器中，在 30 的条件下，震荡吸附 120 min 过滤各个锥形瓶中的水样，测定 所考察甲醛的含量。 2.4 实验实验方法方法 2.4.1 活性炭的制活性炭的制备备方法方法 在查阅了以微波为能量来源、KOH 为活化剂生产活性炭的相关资料之 后，确定活化剂与原料比例

48、、微波功率(W)、辐照时间(min)三个因素对棉秆 活性炭的性能有显著影响，以上述三个条件为考察对象，变化一个条件，固 定两个条件，进行单因素实验，分别考察各因素对活性炭产率、亚甲基蓝吸 附能力、碘吸附能力的影响。 石河子大学化学化工学院 2009 届本科毕业论文 13 2.4.2 棉棉秆秆活性炭的理化特性活性炭的理化特性评评价价 通过对棉秆活性炭采用傅立叶红外光谱、比表面积测定仪、扫描电镜等 技术，对氢氧化钾活性炭的表面化学基团、比表面积、孔容、孔径分布等表 观特性进行分析，确定吸附剂的种类。 2.4.2.1 电电荷零点的荷零点的测测定定 分别在不同 pH 的 0.1mol/L 和 0.02 mol/L 的硝酸钾溶液中加入 KOH 活性炭，震荡 2 小时后用美国的 SenSion 156 便携式多参数测量仪测定活 性炭 pH。 2.4.2.2