摘 要

随着工业的发展和人类生活水平的提高，主要由CO₂大量排放进入大气造成的温室效应逐渐成为人们关注的热点环境问题。活性炭是一类性能优质的炭吸附原料，能被普遍应用于化工行业中对于CO₂的吸附及解吸，其生产及吸附性能也受到越来越多的重视。本设计采取正交实验方法研发了以花生壳、核桃壳、碧根果壳为原料，选用KOH活化法制备活性炭，考察这些活性炭对室温下CO₂的吸附机能，并研究活性炭与吸附质之间的构效关系，对其吸附机理进行基础研究。首先改善碱炭比和不同活化温度下制备活性炭的条件，得出制备高吸附CO₂活性炭的较佳工艺参数，对比研究活性炭的物理结构、化学特性和吸附行为，然后结合CO₂的特征，调控表面化学性质，增加其吸附效果。试验成果表明，温度和碱炭比对CO₂ 吸附量的作用大于生物质种类，二者在影响CO₂ 吸附效果上占主导地位，且由实验结果可知各条件的最优值分别为：生物质（碧根果壳）、碱炭比（2:1）和活化温度（750℃），最佳工艺参数是以上三个因素水平的组合。最佳工艺参数下制得的活性炭材料在1atm、25℃下对的CO₂ 吸附量高达4.42mmol/g。

关键词：活性炭；生物质；CO₂ 吸附；碱炭比；活化温度

Abstract

With the continuous development of industry and improvement of humans’ living standards, the Greenhouse Effect which mainly caused by the massive emissions of CO₂ into the atmosphere has become a hot environmental issue of concern. Activated carbon, as a premium carbon adsorbent material, is widely used in industry for CO₂ adsorption and desorption. It’s production and adsorption properties has drawn more and more attention. In this paper, we apply the orthogonal experimental method to study on the way for prepare the activated carbon with peanut shells, walnut shells, pecan shells as raw material, KOH as activating agent, and study the CO₂ adsorption properties of this activated carbon, then research the structure-activity relationships between activated carbon and adsorbate and make preliminary study of its adsorption mechanism. First optimize alkali carbon ratio and the preparation conditions under different activation temperature of activated carbon, therefore obtain the optimal parameters for preparing activated carbon; make comparative study the physical structure, chemical properties and adsorption behavior of activated carbon, and then combine the characteristics of CO₂, then regulate and control the surface chemical properties to increase its adsorption effect. Experimental results show that the influence of activation temperature and alkali carbon ratio on CO₂ adsorption value is greater than the biomass species, further, the former two are the main factors affecting the CO₂ adsorption effect. And the experimental results also show that the optimum value of each condition were: biomass (Pecan shell), alkali carbon ratio (2: 1) and the activation temperature (750℃), the optimum conditions are the combination of these three optimal levels. The CO₂ adsorption value of activated carbon material, which was prepared under the optimal conditions, is 4.42mmol/g at 1 atm,25℃.

Key Words: Activated carbon; biomass; CO₂ adsorption; alkali carbon ratio; activation temperature.

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 活性炭吸附剂的研究进展 1

1.2.1 活性炭吸附剂的制备方法 1

1.2.2 活化剂的比较与选择 4

1.2.3 活性炭吸附剂的吸附特性 7

1.3本论文的研究目的、研究内容及技术路线 8

1.3.1 研究目的 8

1.3.2 研究内容 8

1.3.3 技术路线 8

第2章 生物质基活性炭的制备 9

2.1 实验部分 9

2.1.1 实验材料 9

2.1.2 生物质基活性炭的制备方法 9

2.2 样品的表征 11

2.2.1 X射线粉末衍射 11

2.2.2 N₂吸附-脱附 11

2.2.3 元素分析 11

2.3 吸附性能测定 11

2.3.1 CO₂的室温吸附性能测定 11

2.3.2 重复使用性能测定 12

第3章 结果与讨论 13

3.1 样品的表征结果分析 13

3.1.1 X射线粉末衍射结果分析 13

3.1.2 N₂吸附-脱附结果分析 13

3.1.3 元素分析结果 14

3.2 CO₂室温吸附等温线结果分析 14

3.2.1 正交实验结果分析 14

3.2.2 CO₂吸附等温线 15

3.2.3 吸附剂再生性能 17

第4章 结论与展望 18

4.1 结论 18

4.2 展望 18

参考文献 20

致 谢 22

第1章 绪论

1.1 选题背景

CO₂作为一种主要的温室气体，透过来自太阳的短波辐射可以吸收地球表面的长波辐射，引起地球表面或底层大气的温度上升，从而造成温室效应^[1]。随着社会水平的不断提高，人们在努力发展经济的同时也把越来越多的重点放在环境保护这一不容忽视的部分。一方面，CO₂可以普遍应用于食品、工程等领域，具有非常重要的工业价值^[2]，是合成多种工业原料的天然气化工产品；另一方面，人类大量使用煤、石油和天然气等化石燃料，并直接将使用过程中产生的CO₂排放到大气中，从而使CO₂在大气中的比例大幅增长，这是致使全球变暖的主要因素^[3-4]。在这些前提下，对CO₂进行吸附并将其从混合气体中分离、回收并将其更大地运用到工业中就具有十分重要的意义^[5]。而活性炭作为一种性能优异的炭质吸附原料，被普遍应用于工业中对CO₂ 的吸附及解吸。

捕集CO₂的固体吸附剂已被提议作为一种从烟道气中分离CO₂的高效技术。这项技术的关键是找到具有优异吸附CO₂能力的吸附剂，如CO₂高吸收能力、CO₂/N₂高选择性及快速动力学等。为此，越来越多的研究者一直专注于开发新的吸附剂。最被广泛使用的CO₂吸附剂有碳、沸石、金属—有机骨架化合物（MOFs）和多孔聚合物。在上述所有吸附剂中，多孔碳吸附是特别有前途的，这是因为它具有价廉易得，方便制备，热稳定性和化学稳定性均较高，可调谐孔结构，易于再生以及对水汽呈惰性等优点^[6]。