CN110026050B - 一种Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法,属于炭材料应用技术领域。本发明利用Fe基蚕沙生物炭作为吸附材料在压力为‑0.08 MPa、温度为48‑50℃时对苯乙醇进行吸附,在常压、温度为45‑50℃下进行脱附,对苯乙醇具有很好的吸附容量和缓释性能。本发明利用Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇进行吸附、脱附的条件与卷烟滤嘴中的香精香料的吸附、脱附的条件一致,符合卷烟的实际生产需要,适合在烟草工业中推广应用。
Description
技术领域
本发明属于炭材料应用技术领域,具体涉及一种Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法。
背景技术
苯乙醇,无色粘稠液体,沸点219℃,相对密度1.0230,折光率1.5310-1.5340。苯乙醇是我国规定允许使用的食用香料,用量按正常生产需要,主要用以配制蜂蜜、面包和浆果类等型香精,也可用于调配玫瑰香型花精油和茉莉香型、丁香香型、橙花香型等香型香精,广泛用于调配皂用和化妆品香精,此外,在烟草工业中也具有广泛的应用。
在烟草工业中,卷烟滤嘴中添加香精香料可以改善卷烟的物理化学特性、圆润烟气味道、降低烟气的刺激感,尤其在卷烟降焦减害之后,往往会出现香气不足等问题,通过添加香精香料可以补充烟气香味的缺失。然而大部分香精香料容易挥发,当添加到卷烟滤嘴后,由于卷烟在加工、运输等过程中香精香料容易挥发逃逸,使得香精香料在卷烟抽吸时得不到有效的释放。
吸附剂法加香作为一种安全、高效的加香方式,能够很好地减少香精挥发而带来的损失,在一定程度上满足了香精存储可控性的要求。在吸附剂法加香中,吸附剂的选用十分关键,既要满足对香精香料达到一定的吸附量,又要保证香精香料能够可控性释放,生物多孔炭是具有较好吸附的材料之一,蚕沙基生物炭来源于桑蚕产业中的主要废弃物蚕沙,其在农村经常随意丢弃导致环境污染,从电镜结构观察可知蚕沙具有天然的三维褶皱结构且含碳量高,经活化及高温碳化可以获得高比表面多孔生物炭,用于吸附卷烟滤嘴中添加的香精香料,特别是苯乙醇。
发明内容
针对以上问题,本发明提供一种Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法。本发明以蚕沙作为碳源,利用ZnCl2和FeCl2对蚕沙活化浸渍,再通过N2气氛条件下高温煅烧,制备得到Fe基蚕沙生物炭材料,用于苯乙醇的吸附缓释,对苯乙醇具有很好的吸附容量和缓释性能。
本发明通过以下技术方案实现:
一种Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法,包括以下步骤:
(1)吸附:先将陈装苯乙醇的敞口瓶放置于真空干燥器底部内,再将Fe基蚕沙生物炭放入所述真空干燥器内的上部分,架设敞口瓶上,Fe基蚕沙生物炭与苯乙醇的重量配比为1:30-32,然后将所述真空干燥器抽负压至0.08 MPa,温度设置为48-50℃,形成苯乙醇的饱和蒸汽,进而被吸附到Fe基蚕沙生物炭中,吸附时间为3-20h,得到吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭;
(2)缓释:先将缓释环境温度设置为45-50℃,压力为常压,再将步骤(1)得到的吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭置于缓释环境内,在5-30 min内实现缓释反应。
作为技术方案的优选,本发明的具体操作方法,包括如下步骤,
(1)吸附:先将陈装苯乙醇的敞口瓶放置于真空干燥器底部内,再将Fe基蚕沙生物炭放入所述真空干燥器内的上部分,架设敞口瓶上,Fe基蚕沙生物炭与苯乙醇的重量配比为1:30-32,然后将所述真空干燥器抽负压至0.08 MPa,温度设置为48-50℃,形成苯乙醇的饱和蒸汽,进而被吸附到Fe基蚕沙生物炭中,设置吸附时间为3-20h内的不同时间点,得到吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭。由于需要保持真空干燥器内苯乙醇蒸汽压保持不变,每个时间点的吸附量均为单独样品检测得到。
(2)缓释:先将热重分析仪的温度设置为45-50℃,压力为常压,N2流速设置为80-110 mL/min,再将步骤(1)得到的吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭置于所述热重分析仪内,在5-30 min内的不同时间点定时计算其质量变化,以此测定不同时间点下苯乙醇的脱附情况,进而测定苯乙醇的缓释动力学曲线。
本发明的Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附装置示意图如图1所示;本发明的Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的缓释装置示意图如图2所示。
作为技术方案的优选,所述苯乙醇的纯度为98%。
作为技术方案的优选,本发明的Fe基蚕沙生物炭的制备包括如下步骤,
(1)将废弃的蚕沙通过真空冷冻干燥脱除水分,得干燥后的蚕沙;
(2)用ZnCl2和FeCl2对干燥后的蚕沙浸渍活化10-12h,然后清洗,冷冻干燥,得到活化蚕沙;
(3)将活化蚕沙在N2气氛下进行碳化扩孔反应,然后使用稀盐酸、氢氟酸及去离子水浸泡清洗后烘干得到Fe基蚕沙生物炭材料。
作为技术方案的优选,所述冷冻干燥的温度为-50℃,时间为45-50 h。
作为技术方案的优选,所述步骤(2)中蚕沙与ZnCl2的质量比为1: 1-2,蚕沙与FeCl2质量比为1: 1-3。
作为技术方案的优选,所述步骤(3)中碳化反应温度为900-1200℃,反应时间120-180 min。
作为技术方案的优选,所述步骤(3)中稀盐酸的浓度为0.1-0.2mol/L,所述氢氟酸的质量百分浓度为10-12%。
作为技术方案的优选,所述Fe基蚕沙生物炭的BET比表面积为876-1200 m2/g,总孔容为0.58-0.83 cm3/g。
一种如上述的Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法的应用,所述Fe基蚕沙生物炭用于吸附苯乙醇时吸附负载量为350 mg/g以上;在苯乙醇吸附量为50-100 mg/g时,苯乙醇在所述Fe基蚕沙生物炭上的缓释率为91%以上。
本发明原理:本发明应用浸渍方式在蚕沙表面形成高分散的金属Fe盐吸附位点,再通过N2气氛条件下高温煅烧,在Fe的催化作用下,在蚕沙表面形成高疏水性的石墨化表面和Fe-C吸附位点,得到Fe基蚕沙生物炭。苯乙醇中含有苯环结构,Fe基蚕沙生物炭的高石墨化表面和Fe-C吸附位点可以增强其和苯乙醇分子之间的π-π作用力,进而增强对苯乙醇的吸附,吸附量大大增加。
与现有技术相比,本发明的优点及有益效果为:
1.本发明利用Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇进行吸附,吸附负载量为350 mg/g以上;在苯乙醇吸附量为50-100 mg/g时,苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭上的缓释率为91%以上,可见本发明的Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇具有很好的吸附容量和缓控释性能。
2.本发明利用Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇进行吸附时,压力为-0.08MPa,温度为48-50℃;脱附时,压力为常压,温度为45-50℃:这与卷烟滤嘴进行香精香料的吸附、脱附的条件一致,符合卷烟的实际生产需要。另外,本发明利用Fe基蚕沙生物炭作为吸附材料,不会影响香精香料自身的气味,因此,本发明的方法适合在烟草工业中推广应用。
3.本发明所用的吸附材料Fe基蚕沙生物炭的原料是蚕沙,桑蚕工业的重要副产物之一,全国每年蚕沙产量很多,长期以来,蚕沙一般直接用作农业肥料或者被随意丢弃,造成了资源的浪费以及环境污染,本发明将蚕沙变废为宝,实现了资源的重复利用。
附图说明
图1为本发明的Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附装置示意图;
图2为本发明的Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的缓释装置示意图;
图3为原始蚕沙的电镜扫描图;
图4为Fe基蚕沙生物炭的电镜扫描图;
图5为蚕沙生物炭的XRD测试图;
图6为Fe基蚕沙生物炭的XRD测试图;
图7为苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭上的吸附动力学曲线图;
图8为苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭上不同吸附量对脱附的影响结果图;
图9为苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭上低吸附量下的释放结果图;
图10为苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭上平衡吸附量下的释放结果图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及附图说明对本发明进一步详细说明,但不限于本发明的保护范围。
实施例1
一种Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法,具体包括以下步骤:
(1)吸附:先将陈装纯度为98%的苯乙醇的敞口瓶放置于真空干燥器底部内,再将Fe基蚕沙生物炭放入所述真空干燥器内的上部分,架设敞口瓶上,Fe基蚕沙生物炭与苯乙醇的重量配比为1:30;然后将所述真空干燥器抽负压至0.08 MPa,温度设置为50℃,形成苯乙醇的饱和蒸汽,进而被吸附到Fe基蚕沙生物炭中,设置吸附时间为3 h、6 h、9 h、12 h、15h、24h、36h和48h,得到吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭;
(2)缓释:先将热重分析仪的温度设置为50℃,N2流速设置为100 mL/min,再将步骤(1)得到的吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭置于热重分析仪内,在5 min、10 min、15min、20 min、25 min、30 min定时计算其质量变化,以此测定不同时间点下苯乙醇的脱附情况,进而测定苯乙醇的缓释动力学曲线。
本实施例的Fe基蚕沙生物炭的制备包括如下步骤,
(1)将废弃的蚕沙通过在-50℃下真空冷冻干燥48 h脱除水分,得干燥后的蚕沙;
(2)用蚕沙质量1.5倍的ZnCl2和蚕沙质量2倍的FeCl2对干燥后的蚕沙浸渍活化12h,然后清洗,在-50℃下冷冻干燥48 h,得到活化蚕沙;
(3)将活化蚕沙在N2气氛中以5℃/min的升温速率升到1000℃,并且在1000℃下保持150 min进行碳化扩孔反应,待自然降至室温后,使用浓度为0.2mol/L的稀盐酸清洗1 h,质量百分浓度为12%的氢氟酸清洗1 h,最后用去离子水浸泡清洗至pH为7.0后离心,然后烘干得到Fe基蚕沙生物炭材料。
本实施例的Fe基蚕沙生物炭的BET比表面积为1050.67 m2/g,总孔容为0.75 cm3/g。
将本实施例制备的Fe基蚕沙生物炭用于吸附苯乙醇时吸附负载量为455 mg/g;在苯乙醇吸附量为50-100 mg/g时,苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭上的缓释率为94.3%。
实施例2
一种Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法,具体包括以下步骤:
(1)吸附:先将陈装纯度为98%的苯乙醇的敞口瓶放置于真空干燥器底部内,再将Fe基蚕沙生物炭放入所述真空干燥器内的上部分,架设敞口瓶上,Fe基蚕沙生物炭与苯乙醇的重量配比为1:30,然后将所述真空干燥器抽负压至0.08 MPa,温度设置为50℃,形成苯乙醇的饱和蒸汽,进而被吸附到Fe基蚕沙生物炭中,设置吸附时间为3 h、6 h、9 h、12 h、15h、20h,得到吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭;
(2)缓释:先将热重分析仪的温度设置为48℃,N2流速设置为90 mL/min,再将步骤(1)得到的吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭置于热重分析仪内,在5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min定时计算其质量变化,以此测定不同时间点下苯乙醇的脱附情况,进而测定苯乙醇的缓释动力学曲线。
本实施例的Fe基蚕沙生物炭的制备包括如下步骤,
(1)将废弃的蚕沙通过在-50℃下真空冷冻干燥47 h脱除水分,得干燥后的蚕沙;
(2)用蚕沙质量1.5倍的ZnCl2和蚕沙质量3倍的FeCl2对干燥后的蚕沙浸渍活化11h,然后清洗,在-50℃下冷冻干燥47 h,得到活化蚕沙;
(3)将活化蚕沙在N2气氛中以5℃/min的升温速率升到1100℃,并且在1100℃下保持160 min进行碳化扩孔反应,待自然降至室温后,使用浓度为0.1mol/L的稀盐酸清洗1 h,质量百分浓度为11%的氢氟酸清洗1 h,最后用去离子水浸泡清洗至pH为7.0后离心,然后烘干得到Fe基蚕沙生物炭材料。
本实施例的Fe基蚕沙生物炭的BET比表面积为876.21 m2/g,总孔容为0.58 cm3/g。
将本实施例制备的Fe基蚕沙生物炭用于吸附苯乙醇时吸附负载量为402.15 mg/g;在苯乙醇吸附量为50-100 mg/g时,苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭上的缓释率为93.62%。
实施例3
一种Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法,具体包括以下步骤:
(1)吸附:先将陈装纯度为98%的苯乙醇的敞口瓶放置于真空干燥器底部内,再将Fe基蚕沙生物炭放入所述真空干燥器内的上部分,架设敞口瓶上,Fe基蚕沙生物炭与苯乙醇的重量配比为1:31,然后将所述真空干燥器抽负压至0.08 MPa,温度设置为48℃,形成苯乙醇的饱和蒸汽,进而被吸附到Fe基蚕沙生物炭中,设置吸附时间为3 h、6 h、9 h、12 h、15h、20h,得到吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭;
(2)缓释:先将热重分析仪的温度设置为47℃,N2流速设置为80 mL/min,再将步骤(1)得到的吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭置于热重分析仪内,在5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min定时计算其质量变化,以此测定不同时间点下苯乙醇的脱附情况,进而测定苯乙醇的缓释动力学曲线。
本实施例的Fe基蚕沙生物炭的制备包括如下步骤,
(1)将废弃的蚕沙通过在-50℃下真空冷冻干燥50 h脱除水分,得干燥后的蚕沙;
(2)用蚕沙质量2倍的ZnCl2和蚕沙质量2倍的FeCl2对干燥后的蚕沙浸渍活化10 h,然后清洗,在-50℃下冷冻干燥50 h,得到活化蚕沙;
(3)将活化蚕沙在N2气氛中以5℃/min的升温速率升到900℃,并且在900℃下保持180 min进行碳化扩孔反应,待自然降至室温后,使用浓度为0.1mol/L的稀盐酸清洗1 h,质量百分浓度为10%的氢氟酸清洗1 h,最后用去离子水浸泡清洗至pH为7.1后离心,然后烘干得到Fe基蚕沙生物炭材料。
本实施例的Fe基蚕沙生物炭的BET比表面积为936.25 m2/g,总孔容为0.67 cm3/g。
将本实施例制备的Fe基蚕沙生物炭用于吸附苯乙醇时吸附负载量为388.34 mg/g;在苯乙醇吸附量为50-100 mg/g时,苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭上的缓释率为92.5%。
实施例4
一种Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法,具体包括以下步骤:
(1)吸附:先将陈装纯度为98%的苯乙醇的敞口瓶放置于真空干燥器底部内,再将Fe基蚕沙生物炭放入所述真空干燥器内的上部分,架设敞口瓶上,Fe基蚕沙生物炭与苯乙醇的重量配比为1:32,然后将所述真空干燥器抽负压至0.08 MPa,温度设置为49℃,形成苯乙醇的饱和蒸汽,进而被吸附到Fe基蚕沙生物炭中,设置吸附时间为3 h、6 h、9 h、12 h、15h、20h,得到吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭;
(2)缓释:先将热重分析仪的温度设置为45℃,N2流速设置为110 mL/min,再将步骤(1)得到的吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭置于热重分析仪内,在5 min、10 min、15min、20 min、25 min、30 min定时计算其质量变化,以此测定不同时间点下苯乙醇的脱附情况,进而测定苯乙醇的缓释动力学曲线。
本实施例的Fe基蚕沙生物炭的制备包括如下步骤,
(1)将废弃的蚕沙通过在-50℃下真空冷冻干燥45h脱除水分,得干燥后的蚕沙;
(2)用与蚕沙质量相等的ZnCl2和与蚕沙质量相等的FeCl2对干燥后的蚕沙浸渍活化12 h,然后清洗,在-50℃下冷冻干燥45h,得到活化蚕沙;
(3)将活化蚕沙在N2气氛中以5℃/min的升温速率升到1200℃,并且在1200℃下保持120 min进行碳化扩孔反应,待自然降至室温后,使用浓度为0.2mol/L的稀盐酸清洗1 h,质量百分浓度为12%的氢氟酸清洗1 h,最后用去离子水浸泡清洗至pH为6.9后离心,然后烘干得到Fe基蚕沙生物炭材料。
本实施例的Fe基蚕沙生物炭的BET比表面积为1200.23 m2/g,总孔容为0.83cm3/g。
将本实施例制备的Fe基蚕沙生物炭用于吸附苯乙醇时吸附负载量为350.34 mg/g;在苯乙醇吸附量为50-100 mg/g时,苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭上的缓释率为91.42%。
实施例5
一种Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法,包括以下步骤:
(1)吸附:先将陈装苯乙醇的敞口瓶放置于真空干燥器底部内,再将Fe基蚕沙生物炭放入所述真空干燥器内的上部分,架设敞口瓶上,Fe基蚕沙生物炭与苯乙醇的重量配比为1:30,然后将所述真空干燥器抽负压至0.08 MPa,温度设置为50℃,形成苯乙醇的饱和蒸汽,进而被吸附到Fe基蚕沙生物炭中,吸附时间为20 h,得到吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭;
(2)缓释:先将缓释环境温度设置为50℃,压力为常压,再将步骤(1)得到的吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭置于缓释环境内,在20 min内实现缓释反应。
本实施例的Fe基蚕沙生物炭的制备包括如下步骤,
(1)将废弃的蚕沙通过在-50℃下真空冷冻干燥48 h脱除水分,得干燥后的蚕沙;
(2)用蚕沙质量1.5倍的ZnCl2和蚕沙质量2倍的FeCl2对干燥后的蚕沙浸渍活化11h,然后清洗,在-50℃下冷冻干燥48 h,得到活化蚕沙;
(3)将活化蚕沙在N2气氛中以5℃/min的升温速率升到1000℃,并且在1000℃下保持140 min进行碳化扩孔反应,待自然降至室温后,使用浓度为0.2mol/L的稀盐酸清洗1 h,质量百分浓度为11%的氢氟酸清洗1 h,最后用去离子水浸泡清洗至pH为7.0后离心,然后烘干得到Fe基蚕沙生物炭材料。
本实施例的Fe基蚕沙生物炭的BET比表面积为1160.54 m2/g,总孔容为0.70 cm3/g。
将本实施例制备的Fe基蚕沙生物炭用于吸附苯乙醇时吸附负载量为434 mg/g;在苯乙醇吸附量为50-100 mg/g时,苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭上的缓释率为93.41%。
实施例6
一种Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法,包括以下步骤:
(1)吸附:先将陈装苯乙醇的敞口瓶放置于真空干燥器底部内,再将Fe基蚕沙生物炭放入所述真空干燥器内的上部分,架设敞口瓶上,Fe基蚕沙生物炭与苯乙醇的重量配比为1: 32,然后将所述真空干燥器抽负压至0.08 MPa,温度设置为48℃,形成苯乙醇的饱和蒸汽,进而被吸附到Fe基蚕沙生物炭中,吸附时间为20 h,得到吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭;
(2)缓释:先将缓释环境温度设置为45℃,压力为常压,再将步骤(1)得到的吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭置于缓释环境内,在30 min内实现缓释反应。
本实施例的Fe基蚕沙生物炭的制备包括如下步骤,
(1)将废弃的蚕沙通过在-50℃下真空冷冻干燥45h脱除水分,得干燥后的蚕沙;
(2)用与蚕沙质量相等的ZnCl2和与蚕沙质量1.5倍的FeCl2对干燥后的蚕沙浸渍活化10 h,然后清洗,在-50℃下冷冻干燥45h,得到活化蚕沙;
(3)将活化蚕沙在N2气氛中以5℃/min的升温速率升到1100℃,并且在1100℃下保持150 min进行碳化扩孔反应,待自然降至室温后,使用浓度为0.1mol/L的稀盐酸清洗1 h,质量百分浓度为10%的氢氟酸清洗1 h,最后用去离子水浸泡清洗至pH为7.1后离心,然后烘干得到Fe基蚕沙生物炭材料。
本实施例的Fe基蚕沙生物炭的BET比表面积为1000.87 m2/g,总孔容为0.63cm3/g。
将本实施例制备的Fe基蚕沙生物炭用于吸附苯乙醇时吸附负载量为410.55 mg/g;在苯乙醇吸附量为50-100 mg/g时,苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭上的缓释率为92.88%。
对比实施例1
一种蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法,具体包括以下步骤:
(1)吸附:先将陈装纯度为98%的苯乙醇的敞口瓶放置于真空干燥器底部内,再将蚕沙生物炭放入所述真空干燥器内的上部分,架设敞口瓶上,蚕沙生物炭与苯乙醇的重量配比为1:30,然后将所述真空干燥器抽负压至0.08 MPa,温度设置为50℃,形成苯乙醇的饱和蒸汽,进而被吸附到蚕沙生物炭中,设置吸附时间为3 h、6 h、9 h、12 h、15 h、24h、36h和48h,得到吸附苯乙醇后的蚕沙生物炭;
(2)缓释:先将热重分析仪的温度设置为50℃,N2流速设置为100 mL/min,再将步骤(1)得到的吸附苯乙醇后的蚕沙生物炭置于热重分析仪内,在5 min、10 min、15 min、20min、25 min、30 min定时计算其质量变化,以此测定不同时间点下苯乙醇的脱附情况,进而测定苯乙醇的缓释动力学曲线。
本实施例的蚕沙生物炭的制备包括如下步骤,
(1)将废弃的蚕沙通过在-50℃下真空冷冻干燥48 h脱除水分,得干燥后的蚕沙;
(2)用蚕沙质量1.5倍的ZnCl2对干燥后的蚕沙浸渍活化12 h,然后清洗,在-50℃下冷冻干燥48 h,得到活化蚕沙;
(3)将活化蚕沙在N2气氛中以5℃/min的升温速率升到1000℃,并且在1000℃下保持150 min进行碳化扩孔反应,待自然降至室温后,使用浓度为0.2mol/L的稀盐酸清洗1 h,质量百分浓度为12%的氢氟酸清洗1 h,最后用去离子水浸泡清洗至pH为7.0后离心,然后烘干得到蚕沙生物炭材料。
本实施例的蚕沙生物炭的BET比表面积为1450.51 m2/g,总孔容为0.89cm3/g。
将本实施例制备的蚕沙生物炭用于吸附苯乙醇时吸附负载量为212.56 mg/g;在苯乙醇吸附量为50-100 mg/g时,苯乙醇在蚕沙生物炭上的缓释率为84.72%。
表征分析(对实施例1制备得到的Fe基蚕沙生物炭和原始蚕沙进行表征分析)
1. 微观结构分析结果如图3-4所示
图3为原始蚕沙电镜扫描图,图4为Fe基蚕沙生物炭的电镜扫描图。从图3可以看出,原始蚕沙呈现出非常薄大片的纳米级薄片结构,经过高温碳化以及Fe催化之后,从图4可以看出,蚕沙表面发生剧烈收缩,原来纳米级薄片变为三维网络状结构。
2. XRD分析结果如图5-6所示
采用日本Rigaku D/MAX的X射线衍射仪进行XRD测试,测试条件为:Cu Kα靶,扫描速度0.2 °/min,30kV。蚕沙生物炭的XRD测试结果如图5所示,Fe基蚕沙生物炭的XRD测试结果如图6所示。从图5和图6可以看出,蚕沙生物炭和Fe基蚕沙生物炭在2θ = 26º左右都有典型的(002)的石墨化炭衍射峰,表明两种材料的石墨化程度较高,有利于对极性较弱的苯乙醇分子进行吸附和脱附。此外,从图6中可以看出,除了石墨化峰外,Fe基蚕沙生物炭还在2θ= 35º和45º出现了尖锐的Fe3C峰,在2θ = 41º和47º出现了尖锐的Fe5C2峰,这是Fe在高温煅烧下与表面的C生成的Fe-C晶格结构,Fe3C与Fe5C2可以作为弱极性的酸性位点,提高Fe基蚕沙生物炭对弱极性苯乙醇分子的结合力。因此,Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附、脱附性能要优于蚕沙生物炭。
3. Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释分析结果如图7-10所示
苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭上的吸附动力学曲线如图7所示。从图7中可以看出,在吸附时间为20 h时,苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭上的吸附达到平衡,平衡吸附量为350 mg/g。
苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭上不同吸附量对脱附的影响结果如图8所示。从图8中可以看出,随着苯乙醇吸附量的增多,释放率在下降,在50-100 mg/g的范围内,苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭材料上的释放率能保持很高的水平,可以达到90%以上,这归因于苯乙醇分子之间形成的氢键。
苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭上低吸附量下的释放结果如图9所示。从图9中可以看出,当吸附量为114 mg/g时,苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭上的释放率能够达到80%,而且在前5min内的释放速率较快。可见,苯乙醇在较低吸附量下,在Fe基蚕沙生物炭上保持较高的释放率。
苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭上平衡吸附量下的释放结果如图10所示。从图10可以看出,当吸附量为平衡吸附量350 mg/g时,苯乙醇在Fe基蚕沙生物炭上的释放率能够达到10%,且在前5min内释放速率较快。可见,苯乙醇在饱和吸附量下,在Fe基蚕沙生物炭上保持较低的释放率。
Claims (9)
1.一种Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法,其特征在于,包括如下步骤,
(1)吸附:先将陈装苯乙醇的敞口瓶放置于真空干燥器底部内,再将Fe基蚕沙生物炭放入所述真空干燥器内的上部分,架设敞口瓶上,Fe基蚕沙生物炭与苯乙醇的重量配比为1:30-32,然后将所述真空干燥器抽负压至0.08 MPa,温度设置为48-50℃,形成苯乙醇的饱和蒸汽,进而被吸附到Fe基蚕沙生物炭中,吸附时间为3-20 h,得到吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭;
(2)缓释:先将缓释环境温度设置为45-50℃,压力为常压,再将步骤(1)得到的吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭置于缓释环境内,在5-30 min内实现缓释反应;
所述Fe基蚕沙生物炭的制备包括如下步骤,
A. 将废弃的蚕沙通过真空冷冻干燥脱除水分,得干燥后的蚕沙;
B. 用ZnCl2和FeCl2对干燥后的蚕沙浸渍活化10-12h,然后清洗,冷冻干燥,得到活化蚕沙;
C. 将活化蚕沙在N2气氛下进行碳化扩孔反应,然后使用稀盐酸、氢氟酸及去离子水浸泡清洗后烘干得到Fe基蚕沙生物炭材料。
2.根据权利要求1所述的Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法,其特征在于,具体操作方法,包括如下步骤,
(1)吸附:先将陈装苯乙醇的敞口瓶放置于真空干燥器底部内,再将Fe基蚕沙生物炭放入所述真空干燥器内的上部分,架设敞口瓶上,Fe基蚕沙生物炭与苯乙醇的重量配比为1:30-32,然后将所述真空干燥器抽负压至0.08 MPa,温度设置为48-50℃,形成苯乙醇的饱和蒸汽,进而被吸附到Fe基蚕沙生物炭中,设置吸附时间为3-20h内的不同时间点,得到吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭;
(2)缓释:先将热重分析仪的温度设置为45-50℃,压力为常压,N2流速设置为80-110mL/min,再将步骤(1)得到的吸附苯乙醇后的Fe基蚕沙生物炭置于所述热重分析仪内,在5-30 min内的不同时间点定时计算其质量变化,以此测定不同时间点下苯乙醇的脱附情况,进而测定苯乙醇的缓释动力学曲线。
3.根据权利要求1或2所述的Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法,其特征在于,所述苯乙醇的纯度为98%。
4.根据权利要求1所述的Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法,其特征在于,所述冷冻干燥的温度为-50℃,时间为45-50 h。
5.根据权利要求1所述的Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法,其特征在于,所述步骤(B)中蚕沙与ZnCl2的质量比为1: 1-2,蚕沙与FeCl2质量比为1: 1-3。
6.根据权利要求1所述的Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法,其特征在于,所述步骤(C)中碳化反应温度为900-1200℃,反应时间120-180 min。
7.根据权利要求1所述的Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法,其特征在于,所述步骤(C)中稀盐酸的浓度为0.1-0.2mol/L,所述氢氟酸的质量百分浓度为10-12%。
8.根据权利要求1所述的Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法,其特征在于,所述Fe基蚕沙生物炭的BET比表面积为876-1200 m2/g,总孔容为0.58-0.83 cm3/g。
9.一种如权利要求1-8任一所述的Fe基蚕沙生物炭对苯乙醇的吸附缓释方法的应用,其特征在于,所述Fe基蚕沙生物炭用于吸附苯乙醇时吸附负载量为350 mg/g以上;在苯乙醇吸附量为50-100 mg/g时,苯乙醇在所述Fe基蚕沙生物炭上的缓释率为91%以上。
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