JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Environment

Daha yüksek azot - biyokütle tabanlı karbon Mesoporous hazırlanması / oksijen şelat adsorpsiyon ile mikrodalga ön Pyrolysis Cu(II)

Published: February 12, 2019
doi:
10.3791/58161
,
1College of Engineering,Nanjing Agricultural University

Summary

Burada, yanında farklı pyrolysis modlarında değişikliğe göre takip kimyasal harekete geçirmek Azot/Oksijen çift katkılı mesoporous karbon Biyokütleden sentezlemek için bir iletişim kuralı mevcut. Mikrodalga pyrolysis aynı anda daha fazla azot ve oksijen fonksiyonel grupların karbon tanıtmak için sonraki değişiklik işlemi faydalandığını göstermektedir.

Abstract

Biyokütle tabanlı mesoporous sentezleme bir çevre dostu tekniği ile yüksek azot – karbon aktif / oksijen şelat adsorpsiyon Cu(II) için önerilmiştir. Fosforik asit ile emdirilmiş BAGAS habercisi kullanılmaktadır. İki ayrı Isıtma modu habercisi olmak için kullanılır: mikrodalga pyrolysis ve konvansiyonel elektrik Isıtma pyrolysis. Elde edilen BAGAS kaynaklı karbon örnekleri nitrification ve azaltma değişiklik ile değiştirilir. Azot (N) / oksijen (O) fonksiyonel gruplar aynı anda aktif karbon, Cu(II) onun adsorpsiyon kompleks ve iyon değiştirme artırılması yüzeyine tanıttı. Karakterizasyonu ve bakır adsorpsiyon deneyler dört hazır karbon örnekleri fizikokimyasal özelliklerini araştırmak ve hangi Isıtma Yöntem N/O fonksiyonel grupları doping için sonraki değişiklik yanadır belirlemek için yapılmaktadır. Bu teknikte, azot adsorpsiyon, Fourier transform Infrared spektroskopisi ve toplu adsorpsiyon deneyler, veri analizi dayalı mikrodalga pyrolyzed karbon daha fazla kusur sitesi vardır ve bu nedenle, zaman kazandıran etkili mikrodalga, kanıtlanmış Her ne kadar belirli bir alt yüzey alana yol pyrolysis daha fazla N/O tür karbon için katkıda bulunur. Bu teknik sentez adsorbents daha yüksek azot ve oksijen içeriği ve ağır metal iyonlarının Atıksu düzeltme uygulamalarında daha yüksek adsorpsiyon kapasitesi ile gelecek vaat eden bir yol sunar.

Introduction

Aktif karbon gelişmiş bir gözenekli yapısı, yüksek belirli yüzey alanı ve çeşitli yüzey fonksiyonel gruplar gibi benzersiz adsorpsiyon özellikleri vardır; Bu nedenle, bu su arıtma veya tedavi1,2,3,4‘ te bir adsorbent istihdam edilmektedir. Yanı sıra fiziksel avantajları, aktif karbon düşük maliyetli ve çevreye zararsız, ve onun hammadde (Örneğin, biyokütle) bol ve kolayca elde edilen5,6. Aktif karbon fizikokimyasal özelliklerini da hazırlık aşamasında kullanılan öncüleri ve etkinleştirme işlemi7‘ nin deneysel koşullar bağlı.

Aktif karbon hazırlamak için genellikle iki yöntem kullanılır: bir tek adımlı ve bir iki adım8yaklaşım. Dönem tek adımlı yaklaşım kömürleşmiş ve iki aşamalı yaklaşım için sırayla gösterir iken aynı anda aktif öncüleri için ifade eder. Enerji tasarrufu ve çevre koruma içinde görüş-in tek adımlı, daha düşük sıcaklık ve basınç talep için daha çok tercih edilen yaklaşımdır.

Ayrıca, kimyasal ve fiziksel harekete geçirmek kullanılan aktif karbon dokusal özelliklerini geliştirmek için. Kimyasal aktivasyon fiziksel etkinleştirme üzerinde belirgin avantajları düşük harekete geçirmek sıcaklık, daha kısa etkinleştirme süresi, daha yüksek karbon verim ve daha gelişmiş ve kontrol edilebilir gözenek yapısında belirli bir derecesi9nedeniyle sahip olur. Kimyasal aktivasyon emprenye biyokütle H3PO4, ZnCl2veya çünkü aktif karbon porozite artırmak için pyrolysis tarafından takip diğer belirli kimyasal hammadde olarak kullanılan tarafından gerçekleştirilebilecek test edilmiştir biyolojik kütle lignocellulosic bileşenleri bu kimyasalları10,11dehydrogenation yeteneği sayesinde bir sonraki Isıtma tedavi tarafından kolayca kaldırılabilir. Bu nedenle, kimyasal harekete geçirmek büyük ölçüde aktif karbon’ın gözenekleri oluşumunu artırır veya kirletici madde12adsorptive performansını artırır. Asidik bir aktivatör H3PO4, onun nispeten daha düşük enerji talep nedeniyle, daha yüksek verim ve çevre13üzerindeki etkisi daha az tercih edilir.

Mikrodalga pyrolysis zaman tasarrufu tek tip iç Isıtma, enerji verimliliği ve seçici Isıtma, yapım o bir alternatif Isıtma yöntemi sentez aktif karbon14,15‘ e üstünlüğü vardır. Geleneksel Isıtma ile karşılaştırıldığında, mikrodalga pyrolysis termo-kimyasal süreçleri geliştirmek ve bazı kimyasal reaksiyonlar16teşvik. Son zamanlarda, kapsamlı çalışmalar yanında tek adımlı mikrodalga pyrolysis9,17,18,19kullanarak Biyokütleden kimyasal harekete geçirmek aktif karbon hazırlanması üzerinde odaklanmıştır. Oldukça bilgilendirici ve çevre-dostu sentez biyokütle tabanlı aktif karbon yanında mikrodalga destekli H3PO4 harekete geçirmek için olsun.

Buna ek olarak, aktif karbon belirli ağır metal iyonlarının doğru adsorpsiyon benzeşim geliştirmek için değişiklik heteroatom [N, O, kükürt (S), vb] karbon yapılarına doping tarafından teklif edildi ve bu arzu edilen yöntem olduğu ispatlanmıştır 20,21,22,23,24,25,26. Arızalı siteleri ya da bir grafit katman kenarlarını fonksiyonel grupların27oluşturmak için heteroatoms tarafından değiştirilebilir. Bu nedenle, nitrification ve azaltma değişikliği heavy metal kompleks ve iyon değiştirme28oluşturmak için verimli bir şekilde yönetiminde önemli bir rol oynamak N/O fonksiyonel grupların uyuşturucu için sonuç karbon örnekleri değiştirmek için kullanılır.

Yukarıdaki bulgularına dayanarak, biz N/O çift-katkılı mesoporous karbon Biyokütleden yanında kimyasal harekete geçirmek ve iki farklı pyrolysis Yöntem değişikliğe göre takip sentezlemek için bir iletişim kuralı mevcut. Bu iletişim kuralı ayrıca hangi Isıtma Yöntem N/O fonksiyonel grupları doping ve böylece, adsorpsiyon performans arttırmak için takip eden değişiklik yanadır belirler.

Protocol

1. aktif karbon BAGAS tabanlı hazırlanması Aktif karbon BAGAS tabanlı için habercisi hazırlanması (Jiangsu, Çin için bir gruptan elde edilen) BAGAS deiyonize suyla durulayın ve kurutma fırın için 10 h 100 ° C’de örnekleri koymak. Kurutulmuş BAGAS bir öğütücü ile crush ve toz bir 50-mesh elek elek. Yer 30 g iyi BAGAS tozu 1:1 kilo oranında 24 h için 15 wt % fosforik asit (H3PO4) çözüm içine kuru karışım 105 ° c…

Representative Results

Azot adsorpsiyon/desorpsiyon isotherms dört örnekleri Şekil 1′ de sunulmaktadır. Tüm adsorpsiyon isotherms düşük P/P0 bölgede hızlı bir artış gösteriyor ve bu isotherms micropores ve baskın mesopores32oluşur onların gözenek yapısı gösteren tip IV (IUPAC sınıflandırma) ait. Yüzey fiziksel parametrelerini azot adsorpsiyon isotherms elde edile…

Discussion

Bu protokol için önemli adımlardan biri başarılı mesoporous karbon ile daha iyi Fizikokimyasal özellikleri tek adımlı yaklaşım tarafından en iyi deneysel koşullar belirlenmesi gereken yere hazırlıktır. Yani, bir önceki çalışma28, biz dik dizi mikrodalga pyrolysis deneyler, BAGAS ve fosforik asit, pyrolysis zaman, mikrodalga fırın gücü ve kuruma süresi emprenye oranını etkisini göz önünde bulundurarak taşıdı. Ayrıca, büyük bir özenle sıkıcı Cu (II) alınması…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar için Çin (No.KYZ201562), Çin doktora sonrası Bilim Fonu (No. 2014 M 560429) ve anahtar araştırma ve geliştirme planı (No Jiangsu ilinin Merkez üniversitelerin temel araştırma fonları kabul BE2018708).

Materials

All chemicals and reagents (phosphoric acid, etc.) Nanjing Chemical Reagent Co., Ltd Analytical grade
Electric furnace Luoyang Bolaimaite Experiment Electric Furnace Co., Ltd
Microwave oven Nanjing Yudian Automation Technology Co., Ltd 2.45 GHz frequency
Surface-area and porosimetry analyzer Beijing Gold APP Instrument Co., Ltd Vc-Sorb 2800TP
Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer Nicolet 6700
Flame atomic absorption spectrophotometry Beijing Purkinje General Instrument Corporation A3
Element Analyzer Germany Heraeus Co. CHN-O-RAPID 
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Saleh, T. A., Gupta, V. K. Processing methods, characteristics and adsorption behavior of tire derived carbons: a review. Advances in Colloid & Interface Science. 211, 93 (2014).
  2. Mohammadi, N., Khani, H., Gupta, V. K., Amereh, E., Agarwal, S. Adsorption process of methyl orange dye onto mesoporous carbon material-kinetic and thermodynamic studies. Journal of Colloid & Interface Science. 362 (2), 457 (2011).
  3. Saleh, T. A., Gupta, V. K. Column with CNT/magnesium oxide composite for lead(II) removal from water. Environmental Science & Pollution Research. 19 (4), 1224-1228 (2012).
  4. Asfaram, A., Ghaedi, M., Agarwal, S., Tyagi, I., Kumargupta, V. Removal of basic dye Auramine-O by ZnS:Cu nanoparticles loaded on activated carbon: optimization of parameters using response surface methodology with central composite design. RSC Advances. 5 (24), 18438-18450 (2015).
  5. Gupta, V. K., Saleh, T. A. Sorption of pollutants by porous carbon, carbon nanotubes and fullerene- an overview. Environmental Science and Pollution Research. 20 (5), 2828-2843 (2013).
  6. Ahmaruzzaman, M., Gupta, V. K. Rice Husk and Its Ash as Low-Cost Adsorbents in Water and Wastewater Treatment. Industrial & Engineering Chemistry Research. 50 (24), 13589-13613 (2011).
  7. Ahmed, M. J., Theydan, S. K. Adsorption of cephalexin onto activated carbons from Albizia lebbeck seed pods by microwave-induced KOH and K2CO3 activations. Chemical Engineering Journal. 211 (22), 200-207 (2012).
  8. Liew, R. K., et al. Production of activated carbon as catalyst support by microwave pyrolysis of palm kernel shell: a comparative study of chemical versus physical activation. Research on Chemical Intermediates. , 1-17 (2018).
  9. Lam, S. S., et al. Microwave-assisted pyrolysis with chemical activation, an innovative method to convert orange peel into activated carbon with improved properties as dye adsorbent. Journal of Cleaner Production. 162, 1376-1387 (2017).
  10. Jin, H., Wang, X., Gu, Z., Polin, J. Carbon materials from high ash biochar for supercapacitor and improvement of capacitance with HNO3 surface oxidation. Journal of Power Sources. 236, 285-292 (2013).
  11. Chen, H. Research Methods for the Biotechnology of Lignocellulose. Biotechnology of Lignocellulose: Theory and Practice. , 403-510 (2014).
  12. Sayğılı, H., Güzel, F. High surface area mesoporous activated carbon from tomato processing solid waste by zinc chloride activation: process optimization, characterization and dyes adsorption. Journal of Cleaner Production. 113, 995-1004 (2016).
  13. Cao, Q., Xie, K. C., Lv, Y. K., Bao, W. R. Process effects on activated carbon with large specific surface area from corn cob. Bioresource Technology. 97 (1), 110-115 (2006).
  14. Xiao, X., et al. Adsorption behavior of phenanthrene onto coal-based activated carbon prepared by microwave activation. Korean Journal of Chemical Engineering. 32 (6), 1129-1136 (2015).
  15. Ge, X., et al. Adsorption of naphthalene from aqueous solution on coal-based activated carbon modified by microwave induction: Microwave power effects. Chemical Engineering & Processing Process Intensification. 91, 67-77 (2015).
  16. Yao, S., et al. Removal of Pb(II) from water by the activated carbon modified by nitric acid under microwave heating. Journal of Colloid and Interface Science. 463, 118-127 (2016).
  17. Ali, A., Idris, R. Utilization Of Low-cost Activated Carbon From Rapid Synthesis Of Microwave Pyrolysis For WC Nanoparticles Preparation. Advanced Materials Letters. 08 (1), 70-76 (2016).
  18. Puchana-Rosero, M. J., et al. Microwave-assisted activated carbon obtained from the sludge of tannery-treatment effluent plant for removal of leather dyes. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 504, 105-115 (2016).
  19. Du, Z. L., Zheng, T., Wang, P., Hao, L. L., Wang, Y. X. Fast microwave-assisted preparation of a low-cost and recyclable carboxyl modified lignocellulose-biomass jute fiber for enhanced heavy metal removal from water. Bioresource Technology. 201, 41-49 (2016).
  20. Ge, X., et al. Microwave-assisted modification of activated carbon with ammonia for efficient pyrene adsorption. Journal of Industrial & Engineering Chemistry. 39, 27-36 (2016).
  21. Ghaedi, M., et al. Modeling of competitive ultrasonic assisted removal of the dyes – Methylene blue and Safranin-O using Fe3O4 nanoparticles. Chemical Engineering Journal. 268, 28-37 (2015).
  22. Gupta, V. K., Nayak, A. Cadmium removal and recovery from aqueous solutions by novel adsorbents prepared from orange peel and Fe2O3 nanoparticles. Chemical Engineering Journal. 180 (3), 81-90 (2012).
  23. Robati, D., et al. Removal of hazardous dyes-BR 12 and methyl orange using graphene oxide as an adsorbent from aqueous phase. Chemical Engineering Journal. 284 (7), 687-697 (2016).
  24. Ali, I., Alothman, Z. A., Sanagi, M. M. Green Synthesis of Iron Nano-Impregnated Adsorbent for Fast Removal of Fluoride from Water. Journal of Molecular Liquids. 211, 457-465 (2015).
  25. Gupta, V. K., Kumar, R., Nayak, A., Saleh, T. A., Barakat, M. A. Adsorptive removal of dyes from aqueous solution onto carbon nanotubes: A review. Advances in Colloid & Interface Science. 193 (6), 24 (2013).
  26. Mittal, A., Mittal, J., Malviya, A., Gupta, V. K. Adsorptive removal of hazardous anionic dye "Congo red" from wastewater using waste materials and recovery by desorption. Journal of Colloid and Interface Science. 340 (1), 16-26 (2009).
  27. Wan, Z., Li, K. Effect of pre-pyrolysis mode on simultaneous introduction of nitrogen/oxygen-containing functional groups into the structure of bagasse-based mesoporous carbon and its influence on Cu(II) adsorption. Chemosphere. 194, 370-380 (2018).
  28. Li, K., Li, J., Lu, M., Li, H., Wang, X. Preparation and amino modification of mesoporous carbon from bagasse via microwave activation and ethylenediamine polymerization for Pb(II) adsorption. Desalination and Water Treatment. 57 (50), 24004-24018 (2016).
  29. Yantasee, W., et al. Electrophilic Aromatic Substitutions of Amine and Sulfonate onto Fine-Grained Activated Carbon for Aqueous-Phase Metal Ion Removal. Separation Science and Technology. 39 (14), 3263-3279 (2004).
  30. Li, Y. B., Li, K. Q., Wang, X. H., Li, J. Ethylenediamine Modification of Hierarchical Mesoporous Carbon for the Effective Removal of Pb (II) and Related Influencing Factors. International Journal of Material Science. 6 (1), 58-65 (2016).
  31. Georgakopoulos, E., Santos, R. M., Chiang, Y. W., Manovic, V. Two-way Valorization of Blast Furnace Slag: Synthesis of Precipitated Calcium Carbonate and Zeolitic Heavy Metal Adsorbent. Journal of Visualized Experiments. (120), e55062 (2017).
  32. Loganathan, P., et al. Modelling equilibrium adsorption of single, binary, and ternary combinations of Cu, Pb, and Zn onto granular activated carbon. Environmental Science & Pollution Research. (15), 1-12 (2018).
  33. Vunain, E., Kenneth, D., Biswick, T. Synthesis and characterization of low-cost activated carbon prepared from Malawian baobab fruit shells by H3PO4 activation for removal of Cu(II) ions: equilibrium and kinetics studies. Applied Water Science. 7 (8), 4301-4319 (2017).
  34. Bohli, T., Ouederni, A., Villaescusa, I. Simultaneous adsorption behavior of heavy metals onto microporous olive stones activated carbon: analysis of metal interactions. Euro-Mediterranean Journal for Environmental Integration. 2 (1), 19 (2017).
  35. Bouhamed, F., Elouear, Z., Bouzid, J., Ouddane, B. Multi-component adsorption of copper, nickel and zinc from aqueous solutions onto activated carbon prepared from date stones. Environmental Science & Pollution Research. 23 (16), 1-6 (2016).
  36. Wu, L., et al. Surface modification of phosphoric acid activated carbon by using non-thermal plasma for enhancement of Cu(II) adsorption from aqueous solutions. Separation & Purification Technology. 197, (2018).

Tags

BiomassMesoporous CarbonNitrogenOxygenChelatingCu(II)AdsorptionMicrowave Pre-pyrolysisBagassePhosphoric AcidActivated CarbonHydrochloric AcidSulfuric AcidNitric Acid

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Li, K., Wan, Z. Preparation of Biomass-based Mesoporous Carbon with Higher Nitrogen-/Oxygen-chelating Adsorption for Cu(II) Through Microwave Pre-Pyrolysis. J. Vis. Exp. (144), e58161, doi:10.3791/58161 (2019).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image