稻壳基多孔炭/硅复合材料多组份有机物吸附平衡与动力学研究

A simple and fast method was used in this study, by controlling the concentration and the dosage of phosphoric acid. Porous carbon/silicon composite material with different content of carbon and silicon, was prepared by directional etching process. Because the composite was rich in porous structures, three kinds of common industrial waste pollutants -- phenol, methyl orange and methylene blue was used as adsorbate. Adsorption capacity of the adsorbent was inspected. Large numbers of experimental data were fitted with the adsorption model to check the model. Equilibrium and kinetics of rice husk based porous carbon/silicon composite adsorption on multicomponent (in this study for the two components and three components) of organics was also discussed to study the adsorption behavior and explain the adsorption mechanism. Rice husk used in this research has the advantages of wide material and low cost. Method used for preparation of porous composite material was simple and easy to implement. The establishment of single component and multicomponent adsorption equilibrium model and dynamic model will provide theoretical support for the application of the porous composite material.

本研究采用简单快速的方法，通过控制磷酸浓度及用量，用其对稻壳进行定向刻蚀制得不同炭、硅含量，并富含孔隙结构的多孔炭/硅复合材料。由于制备出的复合材料孔隙发达，所以采用了工业废水中常见的三种污染物——苯酚、甲基橙和亚甲基蓝作为吸附质，考察稻壳基多孔炭/硅复合材料对上述吸附质的吸附能力，通过大量实验数据与多种吸附模型进行拟合的结果，可以得到单组份及多组分（本研究中为双组份和三组份）吸附模型，并可研究其吸附动力学行为，进而解释吸附机理。本研究所用的稻壳来源广、成本低，制得的多孔复合材料的方法简便易实施；单组份与多组分吸附平衡模型与动力学模型的建立将为这种多孔复合材料的应用提供理论支撑。

本研究制得的稻壳基碳/硅复合材料孔隙结构发达，可用于吸附染料废水领域。工业溶剂染料（如皮革、木材、塑料及细胞等的染色）常采用醇类作为溶剂，排入废水中的醇含量在10-15%之间。然而，以往文献报道中的吸附体系均为水溶液，这与实际应用中吸附剂需要处理醇-水体系中有机污染物的情况相差甚远，致使理论模型与实际情况有所偏颇。同时，以往吸附研究均侧重于单、双组分体系的研究，三组分体系方面的研究还较少。因此，本项目采用稻壳基碳/硅复合材料在醇-水体系中吸附多组分有机污染物，建立吸附理论模型具有一定实用价值。.首先，在稻壳基碳/硅复合材料在醇水溶剂中单组分体系的吸附实验中，亚甲基蓝和甲基橙都以单分子层形式被吸附，符合Langmuir等温吸附模型，通过动力学研究发现，以准二级动力学模型对吸附过程进行预测，所得数据与实验数据比较吻合；.其次，在稻壳基碳/硅复合材料对醇水溶剂中的双组分体系（亚甲基蓝、甲基橙）的吸附实验中，复合材料对亚甲基蓝和甲基橙的最大平衡吸附量比单组份时都提升25%以上，说明在双组份体系的吸附过程中存在“协同吸附”效应。Langmuir-Freundlich等温模型能很好地描述碳/硅复合材料对双组分的吸附过程，亚甲基蓝和甲基橙以多分子层形式被吸附。动力学研究结果表明碳/硅复合材料对亚甲基蓝和甲基橙的吸附行为符合准二级动力学模型；.最后，在稻壳基碳/硅复合材料对醇水溶剂中的三组分体系（亚甲基蓝、甲基橙、苯酚）的吸附实验中，复合材料对亚甲基蓝的平衡吸附量和双组分体系中的平衡吸附量相近，而碳/硅复合材料对甲基橙的平衡吸附量较双组分体系中的平衡吸附量明显减少，甲基橙和苯酚之间存在“竞争吸附”效应。Freundlich模型能较好地描述复合材料对三组分体系的吸附行为，准二级动力学模型能较好地描述碳/硅复合材料对三组分混合物的吸附过程。