成果简介
桉树木材生产产生大量废弃物。磁性活性炭具有快速磁选回收分离特点。本项目在桉木屑添加FeCl3、FeCl2等赋磁剂, ZnCl2、K2CO3、KOH等活化剂一定温度、时间等条件下一步制备磁性活性炭(MAC)；采用碘值、亚甲基蓝吸附值、苯酚吸附值和氮气吸附、XRD、XPS、SEM、TEM、FTIR、拉曼光谱、VSM表征MAC的吸附性能、孔结构、化学组成和磁性，建立MAC的物质组成、磁性、孔结构、表面特性与赋磁剂、活化剂和活化条件之间的联系，揭示磁性产生的机理、变化规律和调控机制以及活化剂和赋磁剂的协同调孔机制。得到的主要结论如下：（1）FeCl3、FeCl2等赋磁剂, ZnCl2、K2CO3、KOH等活化剂相结合，在一定的温度、时间等条件下可以一步制备出性能优良的MAC，制备的MAC可用于吸附有机色素或者催化光解有机色素或类激素污染物；MAC的磁性、孔结构可通过调节磁化剂、活化剂种类及其与桉木屑的比例，加热温度和时间等条件来调节，引入磁性物质会减少MAC的孔隙体积，增加活化剂量、提高温度延长时间能增加MAC孔隙体积；形成的磁性物质有Fe2O3、Fe3O4、Fe3C和Fe等，且在不同温度条件下得到的磁性物质和磁性不同。（2）制备的磁性活性炭可用于吸附去除亚甲基蓝、甲基橙等色素。如以桉木屑为原料，KOH为活化剂，FeCl3为赋磁剂一步法制备了比表面积为1430.32 m2/g，总孔体积为0.893 cm3/g，平均孔径为2.49 nm的桉木基磁性活性炭用于吸附甲基橙。在桉木基磁性活性炭用量为0.045 g，甲基橙初始质量浓度为0.25 g/L，溶液在自然pH值（约为6.82），吸附时间为10 h条件下，进行吸附动力学和吸附等温线实验。桉木基磁性活性炭的碘吸附值和亚甲基蓝吸附值分别为1571.4 mg/g和315.52 mg/g。桉木基磁性活性炭表面含有‒OH，‒C=O，‒COO等官能团，其中有磁性物质Fe和Fe3O4，比饱和磁化强度为48.65 emu/g, 在外加磁场时能快速将其从溶液中分离出来。其对甲基橙的吸附符合Langmuir模型，最大吸附量为333.33 mg/g; 吸附过程是自发吸热过程，吸附动力学符合准二级动力学模型。（3）制备的活性炭用于吸附去除阿莫西林等抗生素。按三氯化铁与木屑的质量比为0.25:1的铁屑比和氢氧化钾与木屑的质量比为1:1的钾屑比制备MAC，在750℃，氮气气氛下炭活化时间为3.5小时一步法制备MAC。当AMX溶液浓度为400 mg/L，pH为3，制备的MAC用量为0.055 g时，在水浴恒温振荡器温度为35℃，转速为120 r/min，震荡吸附时间为4 h的吸附条件下可以去除94.3%以上的AMX。吸附过程与Langmuir等温线吻合较好，吸附过程为单层均匀吸附，最大吸附量为485.4 mg/g。吸附动力学拟合符合伪二级动力学方程。AMX在MAC上的吸附行为是自发(△G=‒4.28 kJ/mol)和吸热(△H=26.92 kJ/mol)的过程。AMX和MAC之间发生的π-π共轭作用和氢键作用是吸附作用力。
当AMX和MO混合溶液浓度为150 mg/L，制备的MACop用量为0.045 g，超声功率为420 W，MACop同时吸附MO和AMX时，对AMX和MO的平衡吸附量分别为147.9 mg/g和149.6 mg/g。超声吸附过程符合Freundlich等温线模型，吸附过程为多分子层吸附。吸附动力学符合伪二级动力学方程，吸附为自发过程(△G<0)和吸热过程(△H>0)。（4）一步法可制备磁性铁酸盐与炭的复合物如ZnFe2O4@BC，CuFe2O4@BC等用作有机污染物降解催化剂。如一步溶胶凝胶热解法合成了CuFe2O4@BC复合材料，并对其活化过硫酸盐PS降解孔雀绿MG。在最优条件下，CuFe2O4@BC活化PS对MG降解率为98.9%，比CuO@BC和Fe3O4@BC的催化效果更好。Cl–在低浓度(<10 mM)和高浓度(>10 mM)时对MG降解具有双重作用。MG在不同CuFe2O4@BC/氧化剂体系的降解率大小顺序如下：CuFe2O4@BC/PS＞CuFe2O4@BC/PMS＞CuFe2O4@BC/H2O2。在CuFe2O4@BC/PS体系中，CuFe2O4@BC在5次循环后，MG降解率仍达到90%以上，CuFe2O4@BC具有良好的可重复性和结构稳定性。除了表面自由基，O2•–在CuFe2O4@BC/PS体系中对MG的降解也起重要作用。（5）将桉木及其细胞壁的主要组分水热制备了炭点，用于农药的快速检测。
应用前景
桉木废弃物资源化利用技术将促进农林废弃物生物质的资源化高值化利用。制得的产品可应用于多种领域，还解决了生态环境的问题，有着很好的实际应用前景。
成熟度
本成果已经小试生产相关产品并应用。
成果完成人
化学化工学院：陈丛瑾
成果转化，请联系成果与合作处，联系人：刘老师，联系电话：0771-3272162。