香蒲基生物炭的活化及对VOCs吸附的应用

doi:10.7503/cjcu20210824

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (4): 20210824.doi: 10.7503/cjcu20210824

香蒲基生物炭的活化及对VOCs吸附的应用

王红宁¹, 黄丽¹, 清江³, 马腾洲³, 蒋伟³, 黄维秋², 陈若愚¹

^1.常州大学精细石油化工江苏省重点实验室, 常州 213164
^2.常州大学江苏省油气储运技术重点实验室, 常州 213016
^3.上海海关工业品与原材料检测技术中心, 上海 200135

收稿日期:2021-12-07 出版日期:2022-04-10 发布日期:2022-03-04
通讯作者: 陈若愚,黄维秋,蒋伟 E-mail:chry@cczu.edu.cn;hwq213@cczu.edu.cn;willjiang@263.com
基金资助:
国家重点研发计划项目(2019YFC0810905);国家自然科学基金(52174058);海关总署课题(200HK251)

Activation of Biochar from Cattail and the VOCs Adsorption Application

WANG Hongning¹, HUANG Li¹, QING Jiang³, MA Tengzhou³, JIANG Wei³, HUANG Weiqiu², CHEN Ruoyu¹

^1.Jiangsu Province Key Laboratory of Fine Petrochemical Engineering，Changzhou University，Changzhou 213164，China
^2.Jiangsu Key Laboratory of Oil and Gas Storage and Transport Technology，Changzhou University，Changzhou 213016，China
^3.Technical Center for Industrial Product and Raw Material Inspection and Testing，Shanghai Customs，Shanghai 200135，China

Received:2021-12-07 Online:2022-04-10 Published:2022-03-04
Contact: CHEN Ruoyu, HUANG Weiqiu, JIANG Wei E-mail:chry@cczu.edu.cn;hwq213@cczu.edu.cn;willjiang@263.com
Supported by:
the National Key Research and Development Program of China(2019YFC0810905);the National Natural Science Foundations of China(52174058);the Programme of General Administration of Customs, China(200HK251)

摘要/Abstract

摘要：

以香蒲为原料制备生物炭(Biochar), 并用不同试剂进行活化. 活化前的Biochar比表面积和孔体积很小, 分别为1.71 m²/g和0.00421 cm³/g, 而活化后的Biochar比表面积和孔容均增大, 其中经碳酸钠（Na₂CO₃）活化后的Biochar比表面积和孔容最大. 研究了Na₂CO₃与Biochar的质量比对其活化的影响, 确定了Na₂CO₃/Biochar最佳质量比为3∶1条件下，得到的样品Biochar-Na₂CO₃-3具有最优的表面积和孔容, 分别为624 m²/g和0.211 cm³/g, 并具有优异的挥发性有机化合物(VOCs)吸附性能, 其正己烷、甲苯和92号汽油的静态吸附容量分别为1.03, 0.814和0.751 g/g, 正己烷和甲苯的动态吸附容量分别为1.00和0.796 g/g, 且吸附稳定性相对较高, 优于商业用活性炭(AC)和硅胶(SG).

关键词: 生物炭, 活化, 挥发性有机化合物, 吸附-脱吸, 稳定性

Abstract:

Biochar was achieved by using cattail as raw material and activated with different agents. The specific surface area and pore volume of biochar before activation was very small， 1.71 m²/g and 0.00421 cm³/g， respectively， and they were greatly increased after activation. The biochar activated by Na₂CO₃ has the best surface area and pore volume. At the same time， the effects of different mass ratios of Na₂CO₃ and Biochar on the activation of Biochar were studied， and the optimal mass ratio of activation was determined. When mass ratio of Na₂CO₃/Biochar is 3∶1， the synthesized dample（Biochar-Na₂CO₃-3） has the biggest specific surface area and pore volume（624 m²/g and 0.211 cm³/g）， which has excellent adsorption performance of volatile organic compounds（VOCs）. The static n-hexane， toluene and No.92 gasoline adsorption capacities of Biochar-Na₂CO₃-3 are 1.03， 0.814 and 0.751 g/g， respectively. The dynamic n-hexane and toluene adsorption capacities of Biochar-Na₂CO₃-3 are 1.00 and 0.796 g/g， respectively. The adsorption performance is stable， which is better than the commercial activated carbon（AC） and silica gel（SG）.

Key words: Biochar, Activation, Volatile organic compoundes（VOCs）, Adsorption-desorption, Stability

中图分类号:

O613

TrendMD:

王红宁, 黄丽, 清江, 马腾洲, 蒋伟, 黄维秋, 陈若愚. 香蒲基生物炭的活化及对VOCs吸附的应用. 高等学校化学学报, 2022, 43(4): 20210824.

WANG Hongning, HUANG Li, QING Jiang, MA Tengzhou, JIANG Wei, HUANG Weiqiu, CHEN Ruoyu. Activation of Biochar from Cattail and the VOCs Adsorption Application. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(4): 20210824.

图/表 10

Fig.1 Pictures of cattail before and after carbonization(A—D), SEM(E, F) and TEM(G, H) images of Biochar

Fig.2 N2 adsorption?desorption isotherms(A) and pore size distributions(B) of Biochar(a), Biochar?KOH?1(b), Biochar?NaOH?1(c), Biochar?K2CO3?1(d), Biochar?NaNH2?1(e) and Biochar?Na2CO3?1(f)

Table 1 Structural parameters of biochar before and after carbonization

Sample	S_BET/（m²·g^-1）	S_m/（m²·g^-1）	V_t/（cm³·g^-1）	V_m/（cm³·g^-1）	Pore size/nm
Biochar	1.71	0.0419	0.00421	0	―
Biochar?KOH?1	230	136	0.0903	0.0705	3.91
Biochar?NaOH?1	319	142	0.117	0.0765	3.91
Biochar?K₂CO₃?1	325	133	0.129	0.0690	3.88
Biochar?NaNH₂?1	335	179	0.120	0.0966	3.91
Biochar?Na₂CO₃?1	512	284	0.159	0.147	3.87
Biochar?Na₂CO₃?2	591	360	0.187	0.154	3.94
Biochar?Na₂CO₃?3	624	393	0.211	0.165	3.87
Biochar?Na₂CO₃?4	387	174	0.128	0.0901	3.87

Fig.3 N2 adsorption?desorption isotherms(A) and pore size distributions(B) of Biochar?Na2CO3?1(a),Biochar?Na2CO3?2(b), Biochar?Na2CO3?3(c) and Biochar?Na2CO3?4(d)

Fig.4 FTIR profiles of Biochar before and after carbonization(A) a. Biochar; b. Biochar?KOH?1; c. Biochar?NaOH?1; d. Biochar?K2CO3?1; e. Biochar?NaNH2?1; f. Biochar?Na2CO3?1.(B) a. Biochar?Na2CO3?1; b. Biochar?Na2CO3?2; c. Biochar?Na2CO3?3; d. Biochar?Na2CO3?4.

Fig.5 Histograms of static VOCs adsorption capacity of different biochar(A)—（C） a. Biochar; b. Biochar?KOH?1; c. Biochar?NaOH?1; d. Biochar?K2CO3?1; e. Biochar?NaNH2?1; f. Biochar?Na2CO3?1.(D)—(F) a. Biochar; b. Biochar?Na2CO3?1; c. Biochar?Na2CO3?2; d. Biochar?Na2CO3?3; e. Biochar?Na2CO3?4; f. SG; g. AC.

Fig.6 n?Hexane breakthrough curves of Biochar?Na2CO3?3, SG and AC under dry condition of the first time(A), and the fifth time(B) and their the comparison of qe (C), toluene breakthrough curves of Biochar?Na2CO3?3 of 5 times under dry condition(D)

Fig.7 Yoon and Nelson model fitting for the adsorption of n?hexane(A) and toluene(B) on Biochar?Na2CO3?3

Fig.8 n?Hexane(A) and toluene(B) breakthrough curves on Biochar?Na2CO3?3 of 5 times under 95% RH

Fig.9 Simultaneous breakthrough adsorption n?hexane(A) and toluene(B) on Biochar?Na2CO3?3 under dry condition, the comparison of qe(C) and desorption efficiencies(D) of 5 times

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Activation of Biochar from Cattail and the VOCs Adsorption Application

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