蔗渣活性炭的制备与应用研究
摘 要摘 要本实验采用化学活化法制备蔗渣吸附剂。实验考察了炭化温度、活化剂质量浓度对制备蔗渣吸附剂的影响。结果表明，氯化锌作为活化剂制备蔗渣吸附剂，炭化温度为制备过程中主要的因素；在氯化锌质量浓度10%、炭化温度600℃、炭化60min的条件下，投加量为0.8mg/L的蔗渣吸附剂对亚甲基蓝染料的脱色率达可到98.1%。同时考察了蔗渣吸附剂对亚甲基蓝溶液的吸附过程中的影响因素。结果表明，温度为25℃，pH为5.3，振荡速度为100r/min，吸附时间为40min，亚甲基蓝溶液的初始浓度为100mg/L的条件下，投加量为0.8mg/L蔗渣吸附剂对的亚甲基蓝溶液的吸附率达95.8%。花生壳吸附剂对水中亚甲基蓝的吸附符合Lagergren二级吸附动力学模型，动力学方程为；吸附过程符合Freundlich等温吸附模型，在25℃条件下的Freundlich吸附方程，为lgqe=0.1839lgce+0.8996。关键词：蔗渣；炭化；吸附；亚甲基蓝 目 录
第一章 绪论 1
1.1 背景与意义 1
1.2纤维素结构特性 1
1.3蔗渣纤维素的改性方法 2
1.4活性炭 3
1.4.1活性炭的性质 3
1.4.2活性炭的分类 4
1.4.3活性炭的应用 4
1.4.5活性炭的制备 5
1.4.6蔗渣活性炭的制备 7
1.5染料废水处理 7
1.6研究内容与技术路线 9
第二章 实验部分 10
2.1 实验试剂及仪器 10
2.1.1 实验试剂 10
2.1.2 实验仪器 10
2.1.3 主要实验试剂的配置 11
2.2 实验分析与方法 11
2.2.1蔗渣吸附剂的制备 11
2.2.2 蔗渣吸附剂对亚甲基蓝溶液的吸附 11
2.2.3 亚甲基蓝脱色率的测定 12
第三章 结果与讨论 14
3.1对照实验 14
3.2 正交实验设计 15
3.3蔗渣吸附剂制备的影响因素 16
3.3.1炭化温度 16
3.
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11
2.2.1蔗渣吸附剂的制备 11
2.2.2 蔗渣吸附剂对亚甲基蓝溶液的吸附 11
2.2.3 亚甲基蓝脱色率的测定 12
第三章 结果与讨论 14
3.1对照实验 14
3.2 正交实验设计 15
3.3蔗渣吸附剂制备的影响因素 16
3.3.1炭化温度 16
3.3.2活化剂氯化锌的浓度对脱色率的影响 17
3.4蔗渣吸附剂吸附亚甲基蓝的影响因素 18
3.4.1投加量对脱色率的影响 18
3.4.2吸附时间对脱色率的影响 19
3.4.3吸附温度对脱色率的影响 19
3.4.4亚甲基蓝初始浓度对脱色率的影响 20
3.4.5 pH对脱色率的影响 21
3.5吸附等温线 22
3.5.1 Langmuir吸附等温模型 23
3.5.2 Freundlich吸附等温模型 24
3.6 吸附动力学方程拟合结果与讨论 25
结 论 28
致 谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1 背景与意义
随着社会的进步，人口的飞速猛增，各类行业得到了发展。保鲜技术和物流速度的提高，使得食品类加工产业也迅速发展。其中，产糖行业的发展和我们生活变得息息相关。在制糖产业中，主要用甘蔗这种作为世界上来源广泛，价格低廉农产品之一制糖。在制糖过程中，甘蔗经过破碎以及提汁后，会产生大量农副产品，即甘蔗茎的残渣，简称蔗渣。据报道，生产1t的蔗糖就会产生将近1t的蔗渣。甘蔗渣成分当中，纤维素大概占32%~48%、半纤维素占19%~24%、木质素占23%~32%、灰分约为4%[1]。纤维素约占蔗渣的一半含量，成为了最丰富的天然资源之一。由于纤维素具有比表面积大，成本低，交换速率快，容易降解以及经济环保的特点[2]，对于纤维素材料进行了大量的研究，以及在其领域内得到了来自世界各国的重视和发展。将蔗渣这种农副产品废物综合利用，不仅做到了低碳生活的理念，而且能够减少固体垃圾，造福于人类。
1.2纤维素结构特性
1838年，Anselme Payen等人深入研究植物纤维素的物理以及化学结构，发现纤维素βD葡萄糖分子中C1和C4碳原子之间的OH基团脱水缩合而形成的线性碳水化合物聚合物高分子，由于其分子内存在大量亲水性的羟基基团，因此使得天然的纤维素具有吸附能力；同时由于羟基基团的存在，使得纤维素具有比较高的可反应性，可以与一些化学试剂发生氧化、酯化、醚化、接枝共聚反应[3]。
在纤维素分子内部，连接了大量亲水性的羟基基团，因而增加了纤维素自身的比表面积，可以用来吸附工业染料废水。并且由于纤维素自身具备的吸附特点，已经有学者将纤维素类材料运用与吸附的应用研究中，Mall将蔗渣处理废水，Liao用花生壳应去除溶液中的Pb2+，Srivastava将蔗渣粉灰去吸附苯酚溶液， Larous和Shukla将锯屑作为原料，研究纤维素对重金属离子的吸附性能。
但是实验表明，将蔗渣作为吸附剂，直接用于工业吸附，不仅吸附效果一般，而且吸附的能力非常有限。在对纤维素分子的的长期研究中，发现纤维素是由俩部分构成，即结晶相和非结晶相。结晶相中纤维素链主要是通过分子内部和分子间的氢键连接而形成的，其连接异常坚固；但是当纤维素用作吸附剂来使用，在溶液中发生吸附作用，其吸附过程主要发生于纤维素分子内的无定形区。因为连接在纤维素分子内部的结晶区域的氢键非常牢固，所以被吸附物质很难进入到结晶区，从而限制了吸附作用。所以想提高纤维素分子作为吸附剂吸附能力只能通过改性的方法引入活性基团。
1.3蔗渣纤维素的改性方法
就目前研究而言，蔗渣的改性主要包含生物法，物理法和化学法。
（1）生物改性方法是用具有高效催化作用的酶来改性纤维素，但是就酶的专一性、不耐受性以及高昂的成本，从而使生物方法的使用与推广受到限制。生物改性方法主要有用纤维素酶的结合部位进行改性纸浆，用碱性的纤维素酶来进行废纸脱墨以及利用纤维素酶发生糖化等[4]。此方法的特点是能够在常温常压下进行选择性地改性，近几年此改性法应用范围越来越广。
（2）物理机械方法改性蔗渣纤维素，主要通过机械力的作用进行球磨、冷冻粉碎、爆破粉碎、电子射线、y一射线以及声波等，以物理的方法加工纤维素类材料法来增加其比表面积，但是结果显示，物理法提高纤维素的吸附能力是非常有限，包括预处理成本相对较高，作用不够明显，处理后的纤维素粉末没有溶胀性以及体积小等[5]。
（3）化学改性方法，通过选择适合的化学试剂对纤维素改性，从而使得蔗渣纤维素内部和表面性能都能够得到显著的提升，增强了吸附效果。由于其简易，容易制得
第一章 绪论 1
1.1 背景与意义 1
1.2纤维素结构特性 1
1.3蔗渣纤维素的改性方法 2
1.4活性炭 3
1.4.1活性炭的性质 3
1.4.2活性炭的分类 4
1.4.3活性炭的应用 4
1.4.5活性炭的制备 5
1.4.6蔗渣活性炭的制备 7
1.5染料废水处理 7
1.6研究内容与技术路线 9
第二章 实验部分 10
2.1 实验试剂及仪器 10
2.1.1 实验试剂 10
2.1.2 实验仪器 10
2.1.3 主要实验试剂的配置 11
2.2 实验分析与方法 11
2.2.1蔗渣吸附剂的制备 11
2.2.2 蔗渣吸附剂对亚甲基蓝溶液的吸附 11
2.2.3 亚甲基蓝脱色率的测定 12
第三章 结果与讨论 14
3.1对照实验 14
3.2 正交实验设计 15
3.3蔗渣吸附剂制备的影响因素 16
3.3.1炭化温度 16
3.
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11
2.2.1蔗渣吸附剂的制备 11
2.2.2 蔗渣吸附剂对亚甲基蓝溶液的吸附 11
2.2.3 亚甲基蓝脱色率的测定 12
第三章 结果与讨论 14
3.1对照实验 14
3.2 正交实验设计 15
3.3蔗渣吸附剂制备的影响因素 16
3.3.1炭化温度 16
3.3.2活化剂氯化锌的浓度对脱色率的影响 17
3.4蔗渣吸附剂吸附亚甲基蓝的影响因素 18
3.4.1投加量对脱色率的影响 18
3.4.2吸附时间对脱色率的影响 19
3.4.3吸附温度对脱色率的影响 19
3.4.4亚甲基蓝初始浓度对脱色率的影响 20
3.4.5 pH对脱色率的影响 21
3.5吸附等温线 22
3.5.1 Langmuir吸附等温模型 23
3.5.2 Freundlich吸附等温模型 24
3.6 吸附动力学方程拟合结果与讨论 25
结 论 28
致 谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1 背景与意义
随着社会的进步，人口的飞速猛增，各类行业得到了发展。保鲜技术和物流速度的提高，使得食品类加工产业也迅速发展。其中，产糖行业的发展和我们生活变得息息相关。在制糖产业中，主要用甘蔗这种作为世界上来源广泛，价格低廉农产品之一制糖。在制糖过程中，甘蔗经过破碎以及提汁后，会产生大量农副产品，即甘蔗茎的残渣，简称蔗渣。据报道，生产1t的蔗糖就会产生将近1t的蔗渣。甘蔗渣成分当中，纤维素大概占32%~48%、半纤维素占19%~24%、木质素占23%~32%、灰分约为4%[1]。纤维素约占蔗渣的一半含量，成为了最丰富的天然资源之一。由于纤维素具有比表面积大，成本低，交换速率快，容易降解以及经济环保的特点[2]，对于纤维素材料进行了大量的研究，以及在其领域内得到了来自世界各国的重视和发展。将蔗渣这种农副产品废物综合利用，不仅做到了低碳生活的理念，而且能够减少固体垃圾，造福于人类。
1.2纤维素结构特性
1838年，Anselme Payen等人深入研究植物纤维素的物理以及化学结构，发现纤维素βD葡萄糖分子中C1和C4碳原子之间的OH基团脱水缩合而形成的线性碳水化合物聚合物高分子，由于其分子内存在大量亲水性的羟基基团，因此使得天然的纤维素具有吸附能力；同时由于羟基基团的存在，使得纤维素具有比较高的可反应性，可以与一些化学试剂发生氧化、酯化、醚化、接枝共聚反应[3]。
在纤维素分子内部，连接了大量亲水性的羟基基团，因而增加了纤维素自身的比表面积，可以用来吸附工业染料废水。并且由于纤维素自身具备的吸附特点，已经有学者将纤维素类材料运用与吸附的应用研究中，Mall将蔗渣处理废水，Liao用花生壳应去除溶液中的Pb2+，Srivastava将蔗渣粉灰去吸附苯酚溶液， Larous和Shukla将锯屑作为原料，研究纤维素对重金属离子的吸附性能。
但是实验表明，将蔗渣作为吸附剂，直接用于工业吸附，不仅吸附效果一般，而且吸附的能力非常有限。在对纤维素分子的的长期研究中，发现纤维素是由俩部分构成，即结晶相和非结晶相。结晶相中纤维素链主要是通过分子内部和分子间的氢键连接而形成的，其连接异常坚固；但是当纤维素用作吸附剂来使用，在溶液中发生吸附作用，其吸附过程主要发生于纤维素分子内的无定形区。因为连接在纤维素分子内部的结晶区域的氢键非常牢固，所以被吸附物质很难进入到结晶区，从而限制了吸附作用。所以想提高纤维素分子作为吸附剂吸附能力只能通过改性的方法引入活性基团。
1.3蔗渣纤维素的改性方法
就目前研究而言，蔗渣的改性主要包含生物法，物理法和化学法。
（1）生物改性方法是用具有高效催化作用的酶来改性纤维素，但是就酶的专一性、不耐受性以及高昂的成本，从而使生物方法的使用与推广受到限制。生物改性方法主要有用纤维素酶的结合部位进行改性纸浆，用碱性的纤维素酶来进行废纸脱墨以及利用纤维素酶发生糖化等[4]。此方法的特点是能够在常温常压下进行选择性地改性，近几年此改性法应用范围越来越广。
（2）物理机械方法改性蔗渣纤维素，主要通过机械力的作用进行球磨、冷冻粉碎、爆破粉碎、电子射线、y一射线以及声波等，以物理的方法加工纤维素类材料法来增加其比表面积，但是结果显示，物理法提高纤维素的吸附能力是非常有限，包括预处理成本相对较高，作用不够明显，处理后的纤维素粉末没有溶胀性以及体积小等[5]。
（3）化学改性方法，通过选择适合的化学试剂对纤维素改性，从而使得蔗渣纤维素内部和表面性能都能够得到显著的提升，增强了吸附效果。由于其简易，容易制得
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