铜活化木质素活性炭的制备与性能

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2024.05.001

摘要/Abstract

摘要：

以木质素磺酸钠和二水合氯化铜为原料，在N₂氛围及不同的合成条件下，采用浸渍活化法煅烧制备了活性炭改性材料；通过X射线衍射（XRD）、红外光谱（FT-IR）、X-射线光电子能谱（XPS）等测试手段研究了所制备样品的结构和表面形貌；以质量浓度为20 mg/L的K₂Cr₂O₇溶液为研究对象，通过二苯碳酰二肼显色法，检测溶液中的Cr（Ⅵ）质量浓度并计算了所制备的活性炭改性材料的吸附容量。结果表明，当Cu质量分数为20%、煅烧温度为700 ℃时，样品的吸附性能最好，吸附容量为72.2 mg/g；吸附过程符合Langmuir单层吸附和准二级动力学。

关键词: 煅烧法, 木质素, Cr离子, 吸附

Abstract:

Using sodium lignosulfonate and copper chloride dihydrate as raw materials, and activated carbon modified materials under different synthetic conditions were prepared by calcination under N₂ atmosphere by impregnation and activation. The structure and surface morphology of the prepared materials were studied by X-ray diffraction (XRD), infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and other testing methods. Taking K₂Cr₂O₇ solution with mass concentration of 20 mg/L as the research object, the Cr(Ⅵ) content in the solution was detected by Diphenyl carbamide chromogenic method, and the adsorption capacity of the prepared activated carbon modified materials was calculated. According to the experimental results, when the proportion of copper is 20% and the calcination temperature is 700 ℃, the adsorption performance of the material is the best, and the adsorption capacity is 72.2 mg/g. The adsorption process conforms to the Langmuir monolayer adsorption and Pseudo-second-order kinetics.

Key words: Calcination method, Lignin, Chromium ions, Adsorb

中图分类号:

TQ134.1

邱亚茹, 兰鲲, 陈常东, 王芳芳, 陆彩云. 铜活化木质素活性炭的制备与性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2024, 44(5): 1-7.

Yaru QIU, Kun LAN, Changdong CHEN, Fangfang WANG, Caiyun LU. Preparation and Properties of Copper⁃Activated Lignin Activated Carbon[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2024, 44(5): 1-7.

图/表 8

图1 不同煅烧温度下Cu?AC的XRD谱图

Fig.1 XRD patterns of calcination Cu?AC with different temperature

图2 Cu?AC700吸附前后的FT?IR谱图

Fig.2 FT?IR spectrum of Cu?AC700 sample before and after adsorbent process

图3 Cu?AC700吸附前后的XPS谱图

Fig.3 XPS spectrum of Cu?AC700 sample before and after adsorbent process

图4 合成条件对吸附容量的影响

Fig.4 Influence relation of preparation conditions and adsorption capacity

图5 Cu?AC700在293 K温度下的Langmuir和Freundlich等温吸附曲线

Fig.5 Langmuir and Freundlich isothermal adsorption curves of Cu?AC700 sample at 293 K

表1 Cu?AC700等温吸附数据

Table 1 Isothermal adsorption data of Cu?AC700 sample

温度/K	Freundlich等温吸附模型			Langmuir等温吸附模型
温度/K	K_F	1/n	R²	Q_m/(mg•g^-1)	K_L	R²
293	55	0.11	0.676	69.4	0.208	0.999

图6 Cu?AC700在不同质量浓度Cr(Ⅵ)溶液中的吸附动力学曲线和吸附容量随时间的变化曲线（a）准一级动力学曲线（b）准二级动力学曲线（c）吸附容量随时间的变化曲线

Fig.6 Adsorption kinetics and adsorption capacity curve of Cu?AC700 with various Cr(Ⅵ) concentration

表2 Cu?AC700的吸附动力学参数

Table 2 Adsorption kinetics data of Cu?AC700 sample

Cr(Ⅵ) 质量浓度/（mg•L^-1）	准一级动力学			准二级动力学
Cr(Ⅵ) 质量浓度/（mg•L^-1）	Q_e/(mg•g^-1)	K₁×10³/min^-1	R²	Q_e/(mg•g^-1)	K₂/[g•(mg•min)^-1]	R²
10	46.2	2.15	0.935	47.2	0.020 0	0.999
20	71.3	1.79	0.966	72.5	0.013 5	0.999
30	70.6	2.14	0.985	71.9	0.013 6	0.999
50	69.7	1.94	0.980	70.8	0.013 7	0.998

参考文献 25

1	ZHU W P， SUN S P， GAO J， et al. Dual⁃layer polybenzimid⁃azole/polyethersulfone （PBI/PES） nano⁃filtration （NF） hollow fiber membranes for heavy metals removal from wastewater［J］. Journal of Membrane Science， 2014， 456： 117⁃127.
2	范明霞，王家宏，高辉，等. 活性炭表面功能化及对镉离子的吸附性能［J］. 应用化工， 2022， 51（7）： 1976⁃1978.
	FAN M X， WANG J H， GAO H， et al. Surface functionalization of activated carbon and adsorption property of cadmium ion［J］. Applied Chemical Industry， 2022， 51（7）： 1976⁃1978.
3	戴江栋. 多孔碳基材料的可控制备及其高效分离抗生素行为和机理研究［D］. 镇江：江苏大学， 2016.
4	马芳，黄淑萍，杜宏涛. 小麦秸秆两性吸附剂的制备及其去除水中Pb²⁺和As⁵⁺的机制［J］. 农业工程学报， 2019， 35（20）： 210⁃219.
	MA F， HUANG S P， DU H T. Preparation of a novel amphoteric bio⁃adsorbent using wheat straw and mechanism for removing Pb²⁺ and As⁵⁺ from aqueous solutions［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2019， 35（20）： 210⁃219.
5	张敏，郜春花，李建华，等. 重金属污染土壤生物修复技术研究现状及发展方向［J］. 山西农业科学， 2017， 45（4）： 674⁃676.
	ZHANG M， GAO C H， LI J H， et al. Research status and development direction of bioremediation technique on heavy metal contaminated soil［J］. Journal of Shanxi Agricultural Sciences， 2017， 45（4）： 674⁃676.
6	张雪彦，金灿，刘贵锋，等. 重金属离子吸附材料的研究进展［J］. 生物质化学工程， 2017， 51（1）： 51⁃58.
	ZHANG X Y， JIN C， LIU G F， et al. Research progress in heavy metal Ions adsorption materials［J］. Biomass Chemical Engineering， 2017， 51（1）： 51⁃58.
7	WANG B， LI F Y， WANG L. Enhanced hexavalent chromium （Cr（Ⅵ）） removal from aqueous solution by Fe⁃Mn oxide⁃modified cattail biochar： Adsorption characteristics and mechanism［J］. Chemistry and Ecology， 2020， 36（2）： 138⁃154.
8	AL⁃FARSI R S， AHMED M， AL⁃BUSAIDI A， et al. Translocation of pharmaceuticals and personal care products （PPCPs） into plant tissues： A review［J］. Emerging Contaminants， 2017， 3（4）： 132⁃137.
9	张帆，李菁，谭建华，等. 吸附法处理重金属废水的研究进展［J］. 化工进展， 2013， 32（11）： 2749⁃2756.
	ZHANG F， LI J， TAN J H， et al. Advance of the treatment of heavy metal wastewater by adsorption［J］. Chemical Industry and Engineering Progress， 2013， 32（11）： 2749⁃2756.
10	白雪，潘建明. 吸附法提铀及提铀吸附剂的种类和性能强化策略［J］. 石油化工高等学校学报， 2023， 36（6）： 24⁃35.
	BAI X， PAN J M. Uranium extraction by adsorption and the types and performance enhancement strategies for adsorbents［J］. Journal of Petrochemical Universities， 2023， 36（6）： 24⁃35.
11	SINGH G， RAMADASS K， SOORIYAKUMAR P， et al. Nanoporous materials for pesticide formulation and delivery in the agricultural sector［J］. Journal of Controlled Release： Official Journal of the Controlled Release Society， 2022， 343： 187⁃206.
12	杨东杰，李会景，白孟仙，等. 不同分子量木质素磺酸钠染料分散剂的结构及性能［J］. 化工学报， 2014， 65（10）： 4138⁃4144.
	YANG D J， LI H J， BAI M X， et al. Structure and performance of dye dispersant sodium lignosulfonate with different molecular weight［J］. CIESC Journal， 2014， 65（10）： 4138⁃4144.
13	金灿，刘云龙，霍淑平，等. 木质素基多孔炭材料及其在水体净化中的应用研究进展［J］. 林产化学与工业， 2021， 41（4）： 111⁃123.
	JIN C， LIU Y L， HUO S P， et al. Research progress of lignin⁃based porous carbon materials and its applications in water purification［J］. Chemistry and Industry of Forest Products， 2021， 41（4）： 111⁃123.
14	李明艳. MOFs材料的制备及其染料吸附性能研究［D］. 抚顺：辽宁石油化工大学， 2020.
15	DU W， WANG X N， SUN X Q， et al. Nitrogen⁃doped hierarchical porous carbon using biomass⁃derived activated carbon/carbonized polyaniline composites for supercapacitor electrodes［J］. Journal of Electroanalytical Chemistry， 2018， 827： 213⁃220.
16	ADHIKARI A D， ORAON R， TIWARI S K， et al. A V₂O₅ nanorod decorated graphene/polypyrrole hybrid electrode： A potential candidate for supercapacitors［J］. New Journal of Chemistry， 2017， 41（4）： 1704⁃1713.
17	CAO J， ZHANG D D， CHANAJAREE R， et al. Stabilizing zinc anode via a chelation and desolvation electrolyte additive［J］. Advanced Powder Materials， 2022， 1（1）： 100007.
18	JENSEN M B， STRÜBING D， de JONGE N， et al. Stick or leave⁃pushing methanogens to biofilm formation for ex situ biomethanation［J］. Bioresource Technology， 2019， 291： 121784.
19	VARDON D R， FRANDEN M A， JOHNSON C W， et al. Adipic acid production from lignin［J］. Energy & Environmental Science， 2015， 8（2）： 617⁃628.
20	ZAKZESKI J， BRUIJNINCX P C， JONGERIUS A L， et al. The catalytic valorization of lignin for the production of renewable chemicals［J］. Chemical Reviews， 2010， 110（6）： 3552⁃3599.
21	GUO F Q， LI X L， LIU Y， et al. Catalytic cracking of biomass pyrolysis tar over char⁃supported catalysts［J］. Energy Conversion and Management， 2018， 167： 81⁃90.
22	MENG Y， WEI T Q， AI D， et al. Adsorption performance of chitosan⁃rare earth⁃biochar composite for Cr（Ⅵ）in water［J］. Journal of Liaoning Petrochemical University， 2023， 43（3）： 14⁃20.
23	何仕婕，张若男，赵炳建，等. H₂TiO₃离子筛吸附性能影响因素研究进展［J］. 当代化工， 2023， 52（11）： 2742⁃2745.
	HE S J， ZHANG R N， ZHAO B J， et al. Influencing factors of adsorptive properties of H₂TiO₃ ion sieve［J］. Contemporary Chemical Industry， 2023， 52（11）： 2742⁃2745.
24	李晓军. 虾壳和松树皮吸附去除水中三价铬的研究［D］. 北京：北京化工大学， 2016.
25	艾丹，魏太庆，孟阳，等. 零价铁/阳离子表面活性剂/生物炭对水体Cr（Ⅵ）的吸附研究［J］. 石油化工高等学校学报， 2022， 35（3）： 54⁃62.
	AI D， WEI T Q， MENG Y， et al. Study on adsorptionzero effect of zero⁃valent iron/cationic surfactant/biochar on Cr（Ⅵ）［J］. Journal of Petrochemical Universities， 2022， 35（3）： 54⁃62.

[1]	宋悦, 吴限, 马诚, 李丽华. 木质素改性ZnO/CeO₂异质结的紫外屏蔽性能研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2024, 44(3): 10-16.
[2]	张硕, 宋强, 张玉龙, 张佳丽, 孙琦. 变压吸附提纯氢气的研究进展及应用[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(6): 30-36.
[3]	孟阳, 魏太庆, 艾丹, 王博, 范志平. 壳聚糖⁃稀土⁃生物炭对水体Cr(Ⅵ)的吸附性能分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(3): 14-20.
[4]	赵静, 刘添翼, 李强, 张晓欣, 秦玉才, 宋丽娟. NaX分子筛吸附分离CO₂/CH₄的巨正则蒙特卡洛模拟[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(2): 13-19.
[5]	杨萍, 李有喜, 蔡武锋, 梁文博, 段林海. 双金属MOF⁃74(Mg _x Ni_1-_x )的制备及其对CO₂/N₂的吸附分离性能研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(6): 1-7.
[6]	魏雨诗, 王锐, 林壮, 姜恒, 霍明仁, 陈欣悦, 梁晓艳, 张重阳. Fe₃O₄ 基β⁃环糊精聚合物的制备及吸附性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(6): 28-35.
[7]	陈树军, 裴剑霖, 付越, 张亚雪. 改性MCM⁃41孔内水分子吸附扩散行为的模拟研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(3): 1-7.
[8]	吴巍, 刘玲, 赖晓晨, 王雪清, 郝晓霞. 弗罗里硅土处理低质量浓度氨氮废水研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(3): 14-18.
[9]	费永鑫, 马会强, 李爽. 改性活性污泥生物炭对水中苯酚吸附性能研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(3): 19-24.
[10]	佟思琦, 建伟伟, 海秋岩, 解伟欣, 孙易. 多孔固体材料吸附CO₂的研究进展[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(2): 30-37.
[11]	施逸帆, 孙京. 红薯生物质碳气凝胶的制备及其吸附性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(2): 8-14.
[12]	赵平月, 李爽, 宗芳, 马会强. 石油树脂废水污泥资源化及对磷的吸附性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(6): 48-52.
[13]	汤佳玉, 孔鹏飞, 鞠佳, 唐敏, 徐见飞, 王令, 陈胜. 不同结构碳纳米管吸附胆红素的研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(5): 38-43.
[14]	王雪, 建伟伟, 陆毅, 张绍鹏, 周小盟, 韩赛钊. Cu和Sn改性多壁碳纳米管对VOCs气体的吸附[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(5): 44-49.
[15]	李明艳, 崔爽, 刘宁宁. 金属有机骨架材料ZIF⁃67对甲基橙的吸附性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(4): 34-40.