竹炭的性能和应用研究进展

 竹材热分解得到的竹炭具有较高的孔隙度和比表面积,其良好的性能引起了人们的广泛关注。本文综述了近年来关于竹炭性能和应用的研究报道,着重介绍了竹炭的吸附性能,电、磁性能及其在各领域的应用状况,如吸附大气和水环境中的无机、有机污染物;以竹炭为原料生产电磁屏蔽材料、静电屏蔽材料和电热材料,同时,可通过重整孔结构和修饰孔表面等方法来提高竹炭的吸附能力。另外,竹炭的多孔性能使不同材料负载其上成为可能,由此可充分发挥两种材料的优势,使得竹炭基复合材料具有很广的应用前景。本文还涉及竹炭吸附热力学、动力学及再生研究、改性竹炭等内容,并指出今后竹炭研究的发展趋势。     

不同炭化温度的竹炭对重金属离子的吸附性能

选用不同炭化温度的竹炭,研究其对单一和混合重金属离子的吸附性能。结果表明：竹炭对重金属离子吸附存在物理和化学吸附,其吸附性能与其比表面积、孔径及pH等有关;不同炭化温度竹炭对重金属的吸附有选择性,炭化温度为800℃的竹炭对Hg2+、Pb2+、Cr6+吸附效果较好,炭化温度为1 000℃的竹炭对Cd2+吸附效果较好;竹炭吸附混合重金属离子存在协同和阻碍两方面的效应,与单一离子相比,竹炭在混合重金属离子溶液中对Pb2+、Hg2+、Cr6+吸附率增加,而对Cd2+的吸附率却减少。     

竹炭对Cr(Ⅶ)的吸附性能研究

研究了竹炭对溶液中Cr()的吸附性能,考察了溶液pH值、竹炭粒径、吸附时间、竹炭用量和溶液初始质量浓度对吸附的影响.实验结果表明:竹炭对Cr()的吸附主要受Cr()溶液的pH值、初始质量浓度和竹炭粒径的影响,pH为1时吸附效果最好.竹炭的动态吸附过程符合二级吸附动力学方程.当Cr()溶液初始质量浓度为50 mg/L,pH为1,震荡吸附84 h后,吸附量为38.3 mg/g,震荡吸附7 d后,饱和吸附量为46.1 mg/g.竹炭对Cr()的吸附符合Langmuir和Freundlich吸附等温方程.     

竹炭对Cr(Ⅵ)的吸附性能研究

研究了竹炭对溶液中Cr(Ⅵ)的吸附性能,考察了溶液pH值、竹炭粒径、吸附时间、竹炭用量和溶液初始质量浓度对吸附的影响.实验结果表明:竹炭对Cr(Ⅵ) 的吸附主要受Cr(Ⅵ)溶液的pH值、初始质量浓度和竹炭粒径的影响,pH为1时吸附效果最好.竹炭的动态吸附过程符合二级吸附动力学方程.当Cr(Ⅵ)溶液初始质量浓度为50 mg/L,pH为1,震荡吸附84 h后,吸附量为38.3 mg/g,震荡吸附7 d后,饱和吸附量为46.1 mg/g.竹炭对Cr(Ⅵ)的吸附符合Langmuir和Freundlich 吸附等温方程.     

铝改性竹炭的磷吸附性能研究

为了改善竹炭的磷吸附性能,以氯化铝为改性剂,采用铝盐水解共沉法对竹炭进行改性,并对改性前后竹炭物化特性进行表征.通过批次吸附实验对比研究了改性竹炭对水溶液中磷的吸附特性.结果表明:Langmuir和Freundlich等温方程能很好地描述竹炭磷吸附等温特性,Freundlich等温方程拟合效果更优,改性后竹炭磷吸附容量为10.0mg·g-1,是改性前竹炭的1.3倍;铝改性竹炭磷吸附过程符合Lagergren二阶动力学模型;溶液pH值对磷吸附影响显著,酸性条件有利于磷吸附,腐植酸对吸附磷有明显负面作用,而NO3-对吸附磷无明显抑制作用.     

苯胺在竹炭上的吸附行为研究

研究溶液的pH值与初始浓度、竹发用量、吸附时问以及温度等因素对竹炭吸附苯胺的吸附性能影响,结果表明:竹炭对苯胺有较强的吸附作用,按苯胺与竹炭质量比为1∶980投加竹炭,苯胺去除率达到93%以上:苯胺溶液pH值在8~9时,竹炭能够很好地适应笨胺初始浓度的变化,对其保持较好的去除率,同时,能在120min内达到吸附平衡;竹炭对苯胺溶液等温吸附服从Freundlich方程式,在70℃左右容易进行,吸附效果好.竹炭可作为理想的去除苯胺的吸附材料.     

竹炭炭化机理及吸附性能的初步研究

对不同最终炭化温度的竹炭产物进行FT-IR光谱分析及SEM图片解析。尝试结合理论推测,探究竹炭炭化机理。根据已有的竹炭吸附有害气体性能评价的标准方法,加以改进,准确测试竹炭对甲醛的吸附率,并提出相应的可行性方向。     

罗丹明B在竹炭上的吸附研究

研究了竹炭的粒径与用量、罗丹明B溶液的pH值与初始浓度、吸附时间和温度等因素对去除率的影响.研究结果表明:竹炭对罗丹明B吸附随其用量的增加而增大;罗丹明B初始浓度增大,竹炭对其去除率减小;溶液的pH值为3.0～5.0时,吸附效果好;竹炭对罗丹明B的吸附可在3h达到平衡.最佳吸附温度为70℃,等温吸附服从Freundlich方程式.竹炭是较为理想的吸附罗丹明B的材料.     

竹炭表面改性对两种抗生素吸附性能的影响

采用磷酸(H3PO4)和氢氧化钠(Na OH)对竹炭表面进行改性,并考察其对环丙沙星(CIP)和诺氟沙星(NOR)的吸附性能.结果表明,2种改性竹炭对环丙沙星和诺氟沙星均有良好的吸附效果.经H3PO4改性后的竹炭对环丙沙星和诺氟沙星两类抗生素最大平衡吸附容量分别可达到88.14和65.17 mg/g,经Na OH改性后的竹炭对环丙沙星和诺氟沙星两类抗生素最大平衡吸附容量分别可达到82.23和69.02 mg/g.与Langmuir方程相比,2种抗生素的吸附过程更适合用Freundlich方程来进行描述,也表明了竹炭对这2种抗生素的吸附属于非均匀性吸附.两者的吸附过程更符合二级反应动力学方程.经H3PO4改性后竹炭提高了表面酸性基团的数量,可以在一定程度上增加竹炭对亲水性药物的吸附量.而Na OH改性会增加竹炭表面的碱性基团的数量,同时在一定程度上增强了竹炭对憎水性药物的吸附量.     

竹炭脱除单质汞的特性研究

为了寻求廉价、高效的脱汞吸附剂,总结了竹炭的来源、制备方法、竹炭（BC）的性质以及竹炭的应用现状,并将其应用在燃煤大气污染物汞的脱除上．在小型燃煤烟气汞脱除实验台上和模拟烟气气氛下研究了低温下BC对汞吸附性能的影响因素．实验结果表明：BC对汞有较强的吸附能力,BC粒径减小增大了BC表面积和孔容,这有利于物理吸附脱汞;吸附剂质量与流量比值（W／F）的增加延长了汞与BC的接触时间,非常利于汞的吸附脱除;BC的脱汞效率随汞浓度的增大而降低;BC对汞的吸附脱除存在着最佳反应温度,实验发现60℃为最佳脱除温度;氧气会促进单质汞的氧化,从而进一步提高BC脱除汞的能力．     

竹炭对铜(Ⅱ)离子的吸附性能研究

研究了竹炭粒径和用量、吸附时间、温度以及铜(Ⅱ)离子初始浓度等因素对铜(Ⅱ)离子吸附效果的影响.结果表明:竹炭对铜(Ⅱ)离子吸附率随其粒径的减小而增大,而随其用量的增加而增大;铜(Ⅱ)离子初始浓度增大,竹炭对其离子吸附率减小;竹炭对铜(Ⅱ)离子的吸附可在2h达到平衡,最佳吸附温度为30℃.竹炭对铜(Ⅱ)离子具有较好的吸附效果,是较为理想的吸附铜离子的材科.     

竹炭对溶液中2,4-二硝基氯苯的吸附与回收研究

本研究了竹炭对溶液中2,4-二硝基氯苯（CDNB）的吸附行为。研究确定竹炭对CDNB的吸附平衡时间、最佳吸附pH以及吸附温度、吸附剂用量等因素对吸附效果的影响。实验结果表明：CDNB初始浓度c0=0.05mg/mL,T=298K,pH=5.0,吸附时间t=12h时,竹炭对CDNB的吸附率E可达到97.6%;用乙醇作洗脱再生剂,洗脱率可达95.2%;且脱附的CDNB可用蒸馏重结晶法回收,回收率可达86.4%。因此,竹炭是废水中CDNB吸附处理的材料。     

竹炭微波改性及对4-硝基苯酚的吸附动力学研究

利用微波氯化锌法对竹炭进行改性,以提高其吸附性能.通过正交实验,优化改性工艺条件,并用改性竹炭对4-硝基苯酚的吸附动力学和机理进行探讨.结果表明,最佳工艺条件为:固液比为1∶2时,50%氯化锌溶液浸泡8 h,800 W微波功率辐照6 min,相对于未改性竹炭,其比表面积、孔容、对4-硝基苯酚的吸附量明显增大.用伪二级吸附速率方程拟合,相关系数r＞0.999,颗粒内扩散过程不是该吸附速率的控制步骤.改性竹炭对4-硝苯酚的吸附是一个吸热过程,吸附活化能为16.81 kJ·mol-1,以物理吸附为主.     

竹炭对水溶液中Cd(Ⅱ)的吸附研究

研究了竹炭对溶液中Cd (Ⅱ) 的吸附行为.考察了酸处理、pH值、竹碳与溶液的接触时间、投料量、吸附温度和Cd (Ⅱ)的初始浓度对吸附的影响.结果表明竹炭对镉离子的吸附是放热过程,并且符合Freundlich吸附模型,在初始浓度为15 mg·L-1、最佳酸度及287K条件下,未经处理的竹炭饱和吸附量达到11.0 mg·g-1,增加竹碳的用量,镉离子吸附率可达99%以上.     

竹炭与阳离子型聚丙酰胺絮凝剂协同处理城市生活污水研究

依据竹炭较强的吸附能力和阳离子型聚丙烯酰胺(PAM)优良的絮凝效果将二者进行优化组合,得到组合型水处理剂竹炭-CPAM,并对其处理城市生活污水的絮凝性能进行了研究.结果表明,竹炭具有丰富的孔隙和比表面积,因此有强的吸附能力;对于城市污水,组合型水处理剂的效果好于单一絮凝剂,其对城市污水COD的去除率、透光率和沉降速率分别达到83.7%、82.21%和300 mm/min左右,各项指标比CPAM单独处理时提高了将近2倍.     

竹炭交联壳聚糖铜对低温水中氨氮 的去除研究

为了解决北方低温低浊水中的超标氨氮和去除难度大的问题,利用吸附法,以硝酸改性竹炭与戊二醛交联壳聚糖铜为原料,用5%的海藻酸钠交联法控制反应条件,制备出竹炭壳聚糖铜吸附剂.通过SEM,IR和BET对材料的形貌、结构、比表面积和化学组成等物化性能进行表征.通过其对水中氨氮(NH_3-N)的静态吸附试验,考察其对氨氮的吸附效果及吸附规律,并利用密度泛函理论模拟吸附过程,推断竹炭交联壳聚糖铜对氨氮的吸附机理.结果表明,当吸附剂的用量为1 g/L,pH值为8,温度为5℃,吸附时间为80 min,搅拌速度为165 r/min,初始氨氮浓度为5 mg/L时,氨氮的去除率可以达到80%左右,基本达到了国家的生活饮用水对氨氮的浓度要求.其中竹炭交联壳聚糖铜的比表面积为157.78 m~2/g,主要以微孔吸附为主,且微孔占总孔比表面积的90%以上,改性效果较好.将酸改性竹炭作为基体可使戊二醛交联壳聚糖的六元环骨架变强,碳网平面更加坚固,同时铜离子对氨氮具有化学螯合作用,更有益于对氨氮的吸附.吸附剂对氨氮的吸附符合拟一级动力学模型.密度泛函理论揭示了竹炭的协同作用一方面提高了对氨氮的吸附量,另一方面也促进了吸附的稳定性.     

竹炭对糠醛的吸附特性及动边界模型研究

利用竹子为前躯体热解制得竹炭,以糠醛为吸附质,考察了不同吸附停留时间、糠醛初始质量浓度和吸附温度下竹炭的吸附特性,并用动边界模型积分方程描述其有限浴交换动力学行为,得到了竹炭吸附糠醛的动力学总方程.结果表明:竹炭吸附糠醛的速度控制步骤为颗粒扩散,糠醛初始质量浓度越高,颗粒扩散控制越明显;温度升高,颗粒扩散控制作用减弱;推算出吸附过程的表观反应级数为0.96,表观活化能为3.02kJ·mol-1,说明该吸附过程主要为物理吸附;证实了热解炭的吸附行为与离子交换过程在动力学描述上具有一定的相似性与兼容性.     

竹炭对亚甲基蓝的吸附平衡和动力学研究

研究了室温下竹炭对亚甲基蓝的吸附平衡和动力学,考察了亚甲基蓝初始浓度和吸附剂用量的影响。由Langmuir吸附等温模型、Freundlich吸附等温模型对吸附平衡数据进行拟合;动力学由准一级反应方程和准二级反应方程进行拟合。研究结果表明:Freundlich吸附等温线模型(R2=0.99)更为精确地描述了亚甲基蓝在竹炭上的吸附;吸附动力学由二级动力学模型拟合更为准确。对动力学数据进行了计算和讨论。     

竹炭-微生物联合法对沼液中 COD 的去除

考察了竹炭用量、微生物菌液用量、进水COD浓度、pH值、DO、HRT等因素对模拟废水COD去除效果的影响,研究竹炭-微生物联合法去除沼液中COD的反应动力学;同时进行了与竹炭吸附和单纯生物降解的对比试验,探讨了竹炭-微生物联合法处理沼液的交互效应.结果表明,竹炭用量、微生物菌液用量、进水COD浓度、pH值、DO等因素均不同程度地影响COD的去除效果,竹炭-微生物法去除废水中COD的最优条件推荐为:竹炭用量30.00g/L,微生物活性液用量2%,pH值6.0～8.0,DO质量浓度1.70～2.00mg/L,HRT为48h.竹炭-微生物法对废水中COD的去除过程符合一级反应动力学模型,竹炭-微生物法对COD的去除效果优于竹炭吸附和单纯的生物降解,竹炭与生物降解的协同作用为50.35%.     

多巴胺修饰的竹炭纳米粒子的合成及其光热控制药物释放的研究

竹炭纳米材料具有高效的近红外吸收特性,可以作为光热剂应用于近红外响应的药物释放。文章以竹炭粉为原料,采用球磨与尖端超声波的方法合成竹炭纳米粒子(bamboo charcoal nanoparticles, BCNPs),进一步将多巴胺通过物理吸附的方法修饰在竹炭纳米粒子表面上,得到竹炭纳米复合物(BCNPs@PDA)。以抗癌药物阿霉素(DOX)作为药物模型,研究了BCNPs@PDA对其负载和释放的行为。实验结果表明,阿霉素通过π-π堆积作用被吸附到BCNPs@PDA上, BCNPs@PDA对阿霉素的释放具有近红外光(NIR)响应依赖性,在pH=5.4的缓冲溶液中用808 nm近红外光(2.0 W/cm~2)激发,24 h内药物的累积释放量达到38%。