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球形成型棉杆基、牛骨基炭的制备及其机械与力学性能研究

球形成型棉杆基、牛骨基炭的制备及其机械与力学性能研究

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作者：阿布都热合曼·吐尔逊新疆大学

学位级别：硕士

目前，国内外常用的活性炭吸附剂主要是指粉末状活性炭吸附剂材料。粉末状活性炭具有堆积密度低、不易存放、易被空气中的粉尘污染、不宜运输和回收再用等缺点。而成型活性炭吸附剂能够克服并覆盖粉末状活性炭上述缺点，而且便于加工制... 详细信息

目前，国内外常用的活性炭吸附剂主要是指粉末状活性炭吸附剂材料。粉末状活性炭具有堆积密度低、不易存放、易被空气中的粉尘污染、不宜运输和回收再用等缺点。而成型活性炭吸附剂能够克服并覆盖粉末状活性炭上述缺点，而且便于加工制造，通过加工可得所需形状，而在国内外有着广泛的应用领域。本文首先通过差热分析、能谱分析等手段分析了牛骨和棉花秸秆原料的主要成分以及热解特性。并以牛骨和棉花秸秆作为原材料，KOH用作活化剂，通过化学活化法制备出生物质炭，以比表面积为目标函数，采用正交实验法对其作为制备生物质炭的主要影响因素，如活化温度、活化时间、碱碳质量比、浸渍时间等条件进行了优化。其次，以最佳条件下制备的牛骨基、棉秆基炭作为原料，凹凸棒粘土作为粘结剂（添加剂）制备了球形成型生物质炭。以机械抗压强度为目标函数，采用正交实验和单因素实验对其作为成型工艺主要影响因素，如炭土质量比、焙烧温度、焙烧时间等球形成型生物质炭的制备工艺条件进行了优化。并采用扫描电镜（SEM）分析、BET与孔径分布分析和对含有COD工业废水吸附净化实验等分析方法对所制备的产物的孔结构和性能进行了表征。最终研究了球形颗粒活性炭在固定床填料吸附柱中的流体力学特性。考察了颗粒粒径、床层高度及床层空隙率、气体表观流速对床层阻力压降的影响。结果表明,球形成型活性炭具有良好的流体力学特性，对床层压降的影响最大的影响因素是空隙率。对实验装置进行工业性设计并将活性炭的应用面对了工业化。 KOH化学活化法制备的牛骨基炭和棉杆基炭最佳工艺条件分别为：活化温度800℃、活化时间20min、碱碳比（g/g）1：1、浸泡时间为36h，活化温度750℃、活化时间30min、碱碳比（g/g）1：1、浸泡时间为24h。三次平行验证性实验所得产物的得率依次为：63.36%、63.42%、63.29%;25.88%、24.06%、23.36%。三次平行验证性实验所的产物通过吸附法所测得比表面积依次为：389.3m2/g、411.7m2/g、3386.1m2/g;1083.7m2/g、1113.1m2/g、1147.3m2/g。凹凸棒粘土的含量、焙烧温度和焙烧时间为影响球形成型炭综合性能的主要因素。由于凹凸棒粘土能够有效的提高球形成型活性炭的湿态成型能力，因此随粘土含量的增加提高其干强度，也具有一定的湿态强度。所制球形成型活性炭颗粒不仅可用于干旱环境，而且可用于潮湿环境和污水处理当中。综合考虑正交实验及单因素实验结果，其结果表明，最佳的成型工艺分别为：炭土比4：6、焙烧温度380℃、焙烧时间为50min;炭土比5：5、焙烧温度380℃、焙烧时间50min时所制备的球形成型炭颗粒具有良好的机械抗压强度。其最大载荷时的平均干湿强度分别为：18.9N、12.7N，9.3N、5.7N。三次平行验证性实验所得球形成型颗粒炭的抗压强度依次为：18.9N、17.7N、18.1N;13.1N、11.9N、12.7N。湿态强度依次为：8.8N、9.3N、9.8N;5.7N、5.1N、6.3N。从SEM分析结果可知棉秆基炭的孔隙结构优于牛骨基炭。从BET与孔径分布分析结果可知，棉秆基炭成型前后的比表面积分别为1026.10m2/g、344.13m2/g，孔径分别主要集中于3nm和4nm左右的中孔吸附剂。其对次甲基蓝及COD工业废水有很明显地吸附脱色效应。对工业COD废水的吸附净化结果可知，所制备出来的粉状棉秆基炭和球形成型棉秆基炭颗粒对COD废水均有吸附净化作用。吸附处理后水样的最低COD值分别为102.85mg/L和112.68mg/L，均达到了国家污水综合排放二级标准。球形颗粒的连续使用两次就发生失效，同一种颗粒持续使用5h后就达到饱和状态。作为床层特性参数的空隙率对固定床填料吸附柱单位填料高度下床层阻力压降的影响是最大。颗粒物粒径越大，床层的空隙率就越大，单位床层高度压降值反而就越小。因此，在工业上选取粒径较大颗粒作为填料较合理的，粒径大床层空隙率就大表观阻力反而就小，对工业设备的要求不高具有良好的经济性优势，但是粒径小的颗粒在吸附柱里的堆积较密集而导致阻力猛大，对设备的要求高而提高其成本。

关键词：牛骨基炭棉秆基炭球形成型炭凹凸棒粘土抗压强度床层压降 COD吸附性能

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