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磷酸活化过程中氧化剂的作用机理研究

作　者: 朱芸
导　师: 左宋林
学　校: 南京林业大学
专　业: 林产化学加工工程
关键词: 过硫酸铵磷酸活性炭交联氧化
分类号: TQ424.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

为了研究磷酸活化过程中氧化剂的作用机理，本论文以杉木屑、酸处理杉木屑和木质素为原料，用过硫酸铵-磷酸活化法制备活性炭。采用元素分析、XPS、Boehm滴定、N2吸附等表征手段分析了活性炭的元素含量、化学结合状态、表面官能团、孔隙结构，考察了过硫酸铵添加比对活性炭上述性质的影响。此外，为了研究磷酸法活性炭酸性官能团对其电催化活性的影响，采用循环伏安法测试了用高温(700-900℃)磷酸活化法活性炭修饰的玻炭电极对对硝基苯酚和对苯二酚的电催化活性。研究结果表明：氧化助剂过硫酸铵在磷酸活化过程中起氧化和促进交联的作用。当添加比较低时，过硫酸铵的促进交联作用占主导地位，有利于形成交联结构，提高了活性炭得率和原料的碳转化率，促进了活性炭孔隙结构的发展及表面酸性官能团的形成；当添加比较高时，过硫酸铵的氧化作用占主导地位，降低了活性炭的得率和原料的碳转化率，减少了活性炭表面酸性官能团的含量。因此，氧化剂的添加比是影响氧化助剂-磷酸活化法中活性炭的得率、原料的碳转化率，以及活性炭的孔隙结构和表面官能团的关键因素之一。当采用最合适添加比的过硫酸铵时，活性炭的得率和原料的碳转化率可以达到最高，且得到孔隙结构最为发达的活性炭。研究发现，活化过程中过硫酸铵的最合适添加比大小主要取决于原料的碳和氧元素含量。原料的碳元素含量越高、氧元素含量越低，则过硫酸铵发生最大程度的交联作用所需要的添加比就越多，反之则越少。对于未进行任何处理的杉木屑原料，未添加过硫酸铵时，原料碳转化率和活性炭得率最高，分别为79.8%和45.9%；酸处理杉木屑原料的最合适添加比为5%，原料的碳转化率和活性炭得率最高，分别为74.7%和46.3%，且活性炭的比表面积和强酸性官能团含量最大，分别为1541m2/g和1.889mmol/L；而木质素原料的最合适添加比为10%，原料的碳转化率和活性炭的得率最高，分别为87.4%和69.4%，且活性炭的比表面积和强酸性官能团含量最大，分别为1032m2/g和2.748mmol/L。磷酸活性炭修饰电极的电化学研究结果表明，磷酸法活性炭对对硝基苯酚和对苯二酚具有明显的催化效果。活性炭中的酸性官能团能明显促进对硝基苯酚的电催化还原反应，而对对苯二酚的电催化氧化还原反应几乎无影响。而电催化反应的峰电流与活性炭的吸附性能有关，吸附性能越强，峰电流越大。

全文目录

致谢  3-4
摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-19
  1.1 活性炭的结构  9-10
  1.2 磷酸法活性炭的研究进展  10-15
    1.2.1 磷酸活化机理  11-13
    1.2.2 影响磷酸活性炭性能的因素  13-15
      1.2.2.1 浸渍比的影响  13
      1.2.2.2 活化温度的影响  13-14
      1.2.2.3 原料种类的影响  14-15
  1.3 氧化助剂-磷酸活化法的研究进展  15-16
  1.4 活性炭在电化学领域的研究  16-17
  1.5 研究目的及内容  17-19
    1.5.1 研究目的及意义  17-18
    1.5.2 研究内容  18-19
2 活性炭的制备与表征方法  19-26
  2.1 原料  19
  2.2 试剂  19-20
  2.3 仪器及设备  20
  2.4 活性炭的制备  20-21
    2.4.1 氧化助剂-磷酸活化杉木屑  20
    2.4.2 氧化助剂-磷酸活化酸处理杉木屑  20-21
    2.4.3 氧化助剂-磷酸活化木质素  21
    2.4.4 高温磷酸活化杉木屑  21
  2.5 活性炭性能分析及表征  21-26
    2.5.1 活性炭吸附性能的测试  21-22
    2.5.2 工业分析及元素分析  22
    2.5.3 Boehm 滴定  22-23
    2.5.4 X 射线光电子能谱 XPS  23
    2.5.5 比表面积和孔径分布  23
    2.5.6 电化学性能测试  23-26
      2.5.6.1 磷酸活性炭修饰电极的制备  23-24
      2.5.6.2 电化学检测  24-25
      2.5.6.3 电化学表征方法  25-26
3 结果与讨论  26-57
  3.1 元素含量分析  26-28
    3.1.1 杉木屑基活性炭的元素含量  26
    3.1.2 酸处理杉木屑基活性炭的元素含量  26-27
    3.1.3 木质素基活性炭的元素含量  27-28
  3.2 活性炭的表面官能团分析  28-37
    3.2.1 Boehm 滴定分析  28-30
      3.2.1.1 酸处理杉木屑基活性炭的表面酸性官能团  29
      3.2.1.2 木质素基活性炭的表面酸性官能团  29-30
    3.2.2 XPS 分析  30-37
      3.2.2.1 C 的 XPS 分析  32-34
      3.2.2.2 O 的 XPS 分析  34-35
      3.2.2.3 P 的 XPS 分析  35-36
      3.2.2.4 N 的 XPS 分析  36-37
  3.3 活性炭的吸附能力和孔隙结构分析  37-45
    3.3.1 活性炭碘吸附和亚甲基蓝吸附能力  37-39
      3.3.1.1 酸处理杉木屑基活性炭的吸附能力  37-38
      3.3.1.2 木质素基活性炭的吸附能力  38-39
    3.3.2 活性炭的孔隙结构分析  39-45
      3.3.2.1 酸处理杉木屑基活性炭的孔隙结构  39-42
      3.3.2.2 木质素基活性炭的孔隙结构  42-45
  3.4 酸处理杉木屑的热解  45-48
  3.5 氧化助剂-磷酸活化机理的讨论  48-51
  3.6 磷酸活性炭修饰电极的电催化作用  51-57
    3.6.1 磷酸活性炭修饰电极对对硝基苯酚的电催化作用  51-54
      3.6.1.1 活化温度对对硝基苯酚的电催化作用  52-53
      3.6.1.2 磷酸浓度对对硝基苯酚的电催化作用  53-54
    3.6.2 磷酸活性炭修饰电极对对苯二酚的电催化作用  54-57
4 结论  57-59
参考文献  59-64

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