高比表面积活性炭的制备、表征及应用

论文摘要

活性炭微孔发达、比表面积高、吸附能力强，是一种优良的吸附材料，广泛应用于化工、环保、食品与制药、催化剂载体和电极材料等领域。活性炭通常采用物理活化法和化学活化法制备，其比表面积通常在1500m2／g左右。随着科学技术的飞速发展，高容量电池、高容量电容器的生产技术得到快速提高，市场对高比表面积活性炭的需求量越来越大。尤其是比表面积大于2000m2／g的高比表面积活性炭在双电层电容器的成功应用，使得对高比表面积活性炭的制备与应用的研究得到广大科学工作者的极大关注。本文较详细地综述了国内外活性炭及高比表面积活性炭的制备、表征及应用研究进展，研究了高比表面积活性炭的制备、表征和在电极材料和水处理中的应用，分析探讨了高比表面积活性炭的活化机理及尾气成分分析等。 本文分别采用竹屑和煤作为原料，KOH作为活化剂，在氮气保护条件下制备了高比表面积活性炭，其比表面积分别为2996m2／g和3135m2／g；分别考察了不同工艺参数对活性炭吸附性能的影响，获得了最优制备工艺参数。结果表明选用竹屑和煤作为KOH活化法制备高比表面积活性炭的原料是可行的，竹质原料制备高比表面积活性炭的最优工艺参数为活化温度800℃，浸渍比1.0，活化时间2h；采用煤质原料制备高比表面积活性炭的最佳工艺参数为活化温度900℃，浸渍比4.0，活化时间1.5h。采用比表面积和孔结构测试仪，利用静态吸附法测定了优化工艺条件下制备的高比表面积活性炭在77K下对N2的吸附等温线、比表面积和孔径分布，竹质和煤质高比表面积活性炭的孔容分别为1.63cm3／g和1.72cm3／g；根据ASTMD4607-94测定了相应活性炭的碘吸附值，最优条件下制备的竹质和煤质高比表面积活性炭的碘吸附值分别为2558和2657mg／g；采用扫描电子显微镜观察了高比表面积活性炭的微观结构，结果表明高比表面积活性炭的孔结构象尺寸大小相同的网格一样比较均匀，主要孔隙为微孔和中孔，孔径分布也相对比较集中，和常规物理法或化学法活性炭的相比，高比表面积活性炭的大孔较少；采用X射线衍射仪进行了高比表面积竹质活性炭的XRD分析，结果表明K2CO3是活化过程中生成的主要化合物，当温度达到673K时就会检测到K2CO3的存在，并且随着温度的升高，K2CO3所占的比例越来越大；采用气体分析仪在线检测了活化过程中的尾气成分，并对尾气成分进行了定量和定性分析。采用热分析仪测试了高比表面积活性炭的活化过程中的TG／DTG曲线，据此探讨了KOH活化法制备活性炭的活化机理，结果表明，高比表面积活性炭的活化过程经历两个主要阶段，即低温活化段（300℃以前）和高温活化段（550℃之后），低温活化属于生孔活化的预活化阶段，也即活化诱导期阶段，高温活化阶段主要发生活化中间体与反应物料表面的炭颗粒作用，

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 活性炭的制备方法及国内外研究现状
• 1.2.1 活性炭的制备方法
• 1.2.2 国内外研究现状
• 1.3 KOH活化法的活化机理
• 1.3.1 KOH活化动力学
• 1.3.2 KOH活化机理
• 1.4 高比表面积活性炭的应用领域
• 1.4.1 活性炭在气相吸附中的应用
• 1.4.2 活性炭在液相吸附方面的应用
• 1.4.3 活性炭在环境保护中的应用
• 1.4.4 活性炭在催化和贮存电能方面的应用
• 1.5 双电层电容器概述
• 1.5.1 双电层电容器的工作原理
• 1.5.2 双电层电容器的电极材料
• 1.5.3 电解质
• 1.6 活性炭在含酚废水中的应用概述
• 1.6.1 含酚废水的来源及危害
• 1.6.2 含酚废水的处理方法
• 1.7 活性炭的表征
• 1.7.1 比表面积的计算方法
• 1.7.2 孔径分布
• 1.8 选题依据及主要研究内容
• 1.8.1 选题依据（目的及意义）
• 1.8.2 主要研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料、试剂及仪器
• 2.1.1 实验原料与化学试剂
• 2.1.2 主要实验仪器及设备
• 2.2 高比表面积活性炭的制备工艺
• 2.2.1 高比表面积竹质活性炭
• 2.2.2 高比表面积煤质活性炭
• 2.3 高比表面积活性炭的表征
• 2.3.1 比表面积和孔径分布
• 2.3.2 碘吸附值测试
• 2.3.3 扫描电子显微镜（SEM）分析
• 2.3.4 X射线衍射（XRD）分析
• 2.4 活性炭制备的尾气检测
• 2.5 高比表面积活性炭的活化机理探讨
• 2.5.1 TG/DTG曲线的测定
• 2.5.2 反应快速终止技术
• 2.6 高比表面积活性炭的应用
• 2.6.1 高比表面积活性炭的电容特性
• 2.6.2 高比表面积活性炭在含酚废水中的吸附特性
• 第三章 KOH活化法高比表面积活性炭的制备与表征
• 3.1 引言
• 3.2 高比表面积竹质活性炭的制备
• 3.2.1 浸渍比对竹活性炭性能的影响
• 3.2.2 活化温度对竹活性炭吸附性能的影响
• 3.2.3 活化时间对竹活性炭性能的影响
• 3.3 高比表面积煤质活性炭的制备
• 3.3.1 浸渍比对煤质活性炭性能的影响
• 3.3.2 活化温度对煤质活性炭性能的影响
• 3.3.3 活化时间对煤质活性炭性能的影响
• 3.4 高比表面积活性炭的表征
• 3.4.1 氮气吸附等温线与孔径分布
• 3.4.2 高比表面积活性炭的微观结构
• 3.4.3 高比表面积活性炭的XRD表征
• 3.5 本章小结
• 第四章 高比表面积活性炭的尾气检测与活化机理探讨
• 4.1 引言
• 4.1.1 硫氧化物污染及危害
• 4.1.2 氮氧化物污染及危害
• 4.2 尾气检测
• 4.2.1 煤质原料活化过程的尾气检测
• 4.2.2 竹屑活化过程的尾气检测
• 4.3 活化机理探讨
• 4.3.1 反应快速终止技术
• 4.3.2 TG/DTG分析
• 4.3.3 活化机理推测
• 4.4 本章小结
• 第五章 高比表面积活性炭的电容特性
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 电极材料与制备
• 5.2.2 测试电容器的组装
• 5.3 测试仪器
• 5.4 性能测试
• 5.4.1 水性电解液
• 5.4.2 有机电解液
• 5.5 结果与讨论
• 5.5.1 不同电解液对电容器电容量的影响
• 5.5.2 电压与漏电流的关系曲线
• 5.5.3 不同电解液中的恒流放电曲线
• 5.5.4 用多种表示法表示的阻抗曲线
• 5.5.5 假想模型
• 5.6 本章小结
• 第六章 高比表面积活性炭在含酚废水中的吸附平衡与动力学研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 实验原料及仪器
• 6.2.2 实验方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 5种吸附剂的孔结构特征
• 6.3.2 苯酚在活性炭上的吸附平衡等温线
• 6.3.3 苯酚在活性炭上的动力学吸附模型
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学期间发表的与学位论文内容相关的学术论文
• 致谢
• 附录1
• 附录2