生物质活性炭制备及性能研究_李红艳著_9787122352545

本书共8章，系统介绍了活性炭的发展与吸附理论、制备与应用现状、结构与性能、再生与研究进展，制备生物质活性炭原材料的类型与主要组成、结构特征与性能测定、生物质资源化的应用现状与发展方向，生物质活性炭制备的基本原理、制备方法及评价方法，生物质活性炭的主要特征、性能、吸附理论、再生利用、检测及其在各领域中应用的范围、原理、工艺流程、技术参数等内容。

本书有较强的技术性和针对性，可供从事水处理及环境保护的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校市政工程、环境工程及相关专业师生参阅。

近年来，电镀、冶金、制革和纺织印染等行业排出的重金属离子废水和化工行业与医疗行业排出的有机污染废水已成为生态环境的重要污染源，并直接或间接地对人类健康造成极大的危害。因此，选择治理重金属离子废水和有机污染废水的合理方法，对控制重金属污染、有机污染物污染，保证人类健康具有极大的意义。目前，含重金属离子废水和有机污染废水的处理多采用吸附法，由于该方法具有设备简单、适应范围广、处理效果好、吸附剂可再生使用等优点而被广泛采用。

吸附分离是自然界最基本的过程之一。从20世纪开始，人们就不断合成人工沸石、树脂等高效吸附材料，使它们在吸附分离领域得到广泛应用。2005年松花江流域硝基苯污染事件和2007年太湖蓝藻暴发事件，让人们充分认识到活性炭在去除水中有机污染物中的重要性，活性炭被认为是水环境应急事件中的万能吸附材料。活性炭具有丰富的孔隙结构和巨大的比表面积、碳表面含有多种含氧官能团、催化活性和化学稳定性好、机械强度高、易于反复使用等一系列优异的特性，是一种备受世人关注的优质吸附剂。但由于以传统的煤和石油为原料制备的普通活性炭的成本居高不下，导致水处理成本高，且活性炭再生困难，所以不少学者把目光投向原料来源广泛、价格廉价的农业废弃生物质资源，用其制备生物质活性炭吸附剂，并用于处理重金属离子污染废水和有机污染物污染废水，从而达到以废治废、变废为宝的目的，实现社会效益、经济效益及环境效益的有机统一。

为保护人类共同的家园，世界各国材料科学工作者正向着高吸附、多功能、可控化、高强度、低成本方向努力，根据不同要求和应用，制备出可控的、具有特定孔结构和功能型表面官能团的新型碳质吸附材料及其复合功能型生物质活性炭材料，以支持人类实现绿色能源和零污染排放的理想愿望。活性炭除了广泛应用于治理重金属离子废水和有机物污染废水外，其在气相吸附、超级电容器、天然气储存和催化等领域的应用也初显端倪。

本书从生物质活性炭制备的原材料入手，进而对生物质活性炭制备的基本原理、性能研究、吸附理论及其在水处理中的应用进行介绍，具有循序渐进的特点。与同类书中传统活性炭的相关理论相比，更能体现农业废弃物资源化的理念。

本书由太原理工大学李红艳副教授著。本书在写作过程中，太原理工大学的崔建国教授给予了全力帮助，程济慈、刘连鑫、李琪、温凯云、赵鹏和严铁尉、李培瑞等给予了协助，笔者在此一并表示衷心感谢。

由于生物质资源和活性炭跨学科、专业面广，限于笔者水平和著写时间，书中难免有不妥和疏漏之处，恳请广大读者和同仁批评指正。

著者

2019年6月于太原

第1章活性炭概述1

1.1活性炭理论1

1.1.1活性炭简介1

1.1.2活性炭的发展2

1.1.3活性炭的吸附理论3

1.1.4影响活性炭吸附的因素4

1.1.5活性炭的应用现状5

1.2活性炭的制备8

1.2.1原材料8

1.2.2炭化方法10

1.2.3活化方法11

1.2.4改性方法11

1.2.5模板合成方法13

1.3活性炭的特点14

1.3.1活性炭的结构14

1.3.2活性炭的性能14

1.4活性炭的表征方法15

1.4.1物理性质的表征方法15

1.4.2化学性质的表征方法16

1.5活性炭的再生18

1.5.1物理再生法18

1.5.2化学再生法19

1.5.3生物再生法20

1.5.4其他再生法21

1.6活性炭的研究进展22

1.6.1活性炭研究的发展趋势22

1.6.2生物质活性炭的研发现状22

参考文献24

第2章制备生物质活性炭的原材料30

2.1生物质原材料30

2.1.1生物质原材料的来源32

2.1.2生物质原材料的类型33

2.1.3生物质原材料的主要组成34

2.1.4生物质原材料的结构分析38

2.1.5生物质原材料的特点40

2.1.6生物质原材料的利用途径41

2.2生物质原材料的性能测定43

2.2.1灰分的测定43

2.2.2挥发分的测定43

2.2.3含水率的测定43

2.2.4固定碳含量的测定44

2.2.5热重分析计算44

2.3生物质资源化44

2.3.1生物质资源化的意义44

2.3.2生物质资源化的利用现状47

2.3.3生物质资源化技术49

2.3.4生物质资源化的发展方向55

2.3.5生物质资源的应用现状57

2.3.6生物质活性炭的研究进展59

参考文献59

第3章生物质活性炭的制备及评价66

3.1生物质活性炭的制备方法66

3.1.1原材料预处理67

3.1.2炭化方法67

3.1.3活化方法73

3.1.4加热方法75

3.1.5化学气相沉积法76

3.2制备生物质活性炭的活化方法77

3.2.1药剂化学活化方法78

3.2.2气体物理活化方法89

3.2.3化学物理活化方法94

3.2.4其他活化方法95

3.3生物质活性炭的改性方法97

3.3.1表面性质改性法97

3.3.2表面氧化改性法98

3.3.3表面还原改性法99

3.3.4负载物质改性法100

3.3.5低温等离子体改性法101

3.3.6其他改性方法101

3.4生物质活性炭的评价方法102

3.4.1吸附容量102

3.4.2吸附速率102

3.4.3吸附选择性103

3.4.4再生性103

3.4.5经济性103

参考文献104

第4章生物质活性炭的性能研究112

4.1生物质活性炭的物理性质112

4.1.1粒度分布112

4.1.2密度和强度113

4.1.3孔隙结构113

4.1.4总孔隙度和大孔容积115

4.1.5比表面积116

4.2生物质活性炭的化学性质117

4.2.1元素组成117

4.2.2表面官能团118

4.2.3表面酸碱性119

4.2.4表面吸附性质121

4.3生物质活性炭的表征分析123

4.3.1傅里叶变换红外光谱（FTIR）124

4.3.2比表面积及孔分布（BET）128

4.3.3扫描电子显微镜（SEM）135

4.3.4X射线衍射分析（XRD）137

4.3.5能谱分析（EDS）139

参考文献140

第5章生物质活性炭的吸附理论143

5.1概述143

5.2生物质活性炭的静态吸附理论144

5.3生物质活性炭的动态吸附理论145

5.3.1生物质活性炭动态穿透曲线145

5.3.2生物质活性炭动态穿透曲线的应用148

5.3.3生物质活性炭动态穿透曲线方程的建立155

5.3.4生物质活性炭的动态穿透模型157

5.4生物质活性炭的吸附热力学159

5.4.1吸附热力学基本原理159

5.4.2吸附等温线159

5.4.3等温吸附平衡图164

5.4.4吸附热力学平衡常数165

5.4.5吸附过程的热力学函数165

5.5生物质活性炭的吸附动力学167

5.5.1概述168

5.5.2吸附传质过程169

5.5.3吸附动力学模型（或方程）170

5.5.4吸附反应控制机理173

5.5.5吸附反应传质模型175

参考文献177

第6章生物质活性炭的再生利用180

6.1再生原理182

6.2物理再生法183

6.2.1加热再生法183

6.2.2超声波再生法184

6.2.3微波辐射再生法185

6.3化学再生法185

6.3.1化学药剂再生法185

6.3.2湿式氧化再生法187

6.3.3电化学再生法188

6.4生物再生法189

6.5其他再生法189

6.5.1臭氧氧化再生法189

6.5.2光催化再生法190

6.5.3超临界流体再生法190

6.6再生经济分析及评价191

6.6.1再生经济分析191

6.6.2再生经济评价192

参考文献192

第7章生物质活性炭的检测193

7.1生物质活性炭的主要检测指标193

7.2生物质活性炭的性能检验193

7.2.1物理性能检验194

7.2.2化学性能检验195

7.2.3吸附性能检验195

7.3生物质活性炭微观结构的检测197

7.3.1比表面及孔结构的检测198

7.3.2孔容积的检测198

7.4生物质活性炭应用模拟评价检验198

参考文献199

第8章生物质活性炭的应用200

8.1生物质活性炭在气相吸附中的应用200

8.1.1在烟气脱硫脱氮方面的应用201

8.1.2吸附二氧化碳气体的应用202

8.1.3吸附有机气体的应用204

8.2生物质活性炭在液相吸附中的应用204

8.2.1城市给水处理方面的应用205

8.2.2城市污水处理方面的应用206

8.2.3工业废水处理方面的应用206

8.2.4含磷废水处理方面的应用254

8.3生物质活性炭在土壤修复中的应用257

8.3.1生物质活性炭作为土壤改良剂257

8.3.2生物质活性炭作为气候变化的减缓剂259

8.3.3生物质活性炭提高土壤的保水性能259

8.4生物质活性炭在催化领域的应用259

8.5生物质活性炭在其他方面的应用260

8.5.1生物质活性炭在超级电容器方面的应用261

8.5.2生物质活性炭代替燃料263

参考文献264

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