紫茎泽兰秆制取活性炭研究生物工程本科本科论文.doc

xxx学院本科毕业设计（论文）紫茎泽兰秆制取活性炭研究学生姓名：xx学生学号：xx院（系）：生物与化学工艺工程学院年级专业：06生物工程指导教师：xx助教助理指导教师：xx讲师二〇一〇年六月 xxx学院本科毕业设计论文摘要摘要本论文以紫茎泽兰为原料，氯化锌、氢氧化钠为活化剂，采用微波辐射法制备活性炭。研究浸渍时间、浸渍活化剂质量分数、微波功率、微波辐射时间对活性炭吸附性能和得率的影响。通过单因数试验确定了最佳工艺条件：使用氯化锌为活化剂时,微波功率560W,辐照时间3min,氯化锌质量分数40％，浸渍时间18h。在最佳工艺条件下制备的活性炭的得率为39.03％,碘吸附值1027.89mg/g。氢氧化钠为活化剂时,微波功率560W，辐射时间3min，氢氧化钠质量分数40%，浸渍时间24h。在最佳工艺条件下制备的活性炭的得率为18.4%，碘吸附值842.95mg/g。通过实验可以看出使用氯化锌作为活化剂制取活性炭比使用氢氧化钠更好。关键词微波辐射，活性炭，紫茎泽兰I 攀枝花学院本科毕业设计论文ABSTRACTABSTRACTTheactivatedcarbonfromthestemofEupatoriumadenophorumsprengwaspreparedwithZnC12orNaOHbymicrowaveradiation.Theefectsofsoakingtime,microwavepower,radiationtime,activatorconcentrationonthequalityofactivatedcarbonwereresearched.determinetheoptimalconditionsbythesinglefactorexperiments:WhenusingZnC12asactivator,microwavepowerwas560W,radiationtimewas3min,ZnCl2solutionconcentrationwas40%,Soakingtimewas18h.Theiodineadsorptionvaluereached1027.89mg·g-1andyieldreached39.03%withtheoptimalprocess.WhenusingNaOHasactivator,microwavepowerwas560W,radiationtimewas3min,NaOHsolutionconcentrationwas40%,Soakingtimewas24h.Theiodineadsorptionvaluereached842.95mg·g-1andyieldreached18.4%withtheoptimalprocess.ExperimentalresultsshowtheuseofZnC12asanactivatortoactivatedcarbonbetterthantheuseofNaOH.KeywordsMicrowaveradiation，activatedcarbon，EupatoriumadenophorumsprengII xxx学院本科毕业论文目录目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1紫茎泽兰的分布、危害、防治和利用11.1.1紫茎泽兰的分布11.1.2紫茎泽兰的危害11.1.3紫茎泽兰的防治21.1.4紫茎泽兰的利用31.2活性炭的发展历史41.2.1国内发展史41.2.2国际发展情况41.3活性炭的制备方法51.3.1化学活化法51.3.2气体活化法51.4紫茎泽兰制备活性炭的意义61.5紫茎泽兰制备活性炭的现状和展望61.5.1紫茎泽兰制备的现状61.5.2紫茎泽兰制备活性炭的展望71.6课题研究的目的和内容71.7课题研究的可行性72实验材料与方法92.1实验材料、设备和试剂92.1.1实验材料92.1.2实验设备92.1.3实验试剂92.1.4实验试剂的配制92.2实验原理92 xxx学院本科毕业论文目录2.2.1活性炭制备原理92.2.2活性炭碘吸附值测定的原理103.试验方法与实验过程113.1实验方案113.1.1以氢氧化钠作为活化剂制备活性炭的实验方案113.1.2以氯化锌作为活化剂制备活性炭的实验方案123.2碘吸附值测定方案123.3实验过程133.3.1原料处理133.3.2活性炭制备133.3.3碘吸附值测定133.4实验参数的控制143.4.1活化剂浓度改变对活性炭的得率和吸附值的影响143.4.2浸渍时间对活性炭得率和碘吸附值的影响153.4.3微波功率对活性炭得率和碘吸附值的影响163.4.4微波辐射时间对活性炭得率和碘吸附值的影响183.5最佳参数组合实验及分析193.5.1氯化锌为活化剂制备活性炭193.5.2氢氧化钠为活化剂制备活性炭204结果分析与实验对比214.1结果214.2综合对比215结论与展望22参考文献23附录1公式推导26附录2碘值实验的校正因子27致谢282 xxx学院本科毕业论文绪论1绪论1.1紫茎泽兰的分布、危害、防治和利用1.1.1紫茎泽兰的分布紫茎泽兰Eupatoriumadenophorumspreng(菊科、泽兰属)。土名很多，在美国夏威夷群岛叫帕马凯里(Parnakani)或称毛伊帕马凯里(Mauipamakani)；在澳大利亚、新西兰、印度等国家通称克罗夫顿草(Croftonweed)；在尼泊尔俗称班马纳(tonga)卡莱哈(Kalejhar)；在云南各地叫法不一，有解放草、飞机草、黑头草、大毒草等[1]。紫茎泽兰原产中美洲的墨西哥，大致在1865年作为观赏植物引种到夏威夷群岛，1875年引到澳大利亚，随后在新西兰、泰国、菲律宾、缅甸、越南、锡金、不丹、尼泊尔和印度等地蔓延成片，泛滥成灾。大约解放前后，由缅甸、印度、越南、尼泊尔、不丹、锡金等国边境侵入我国［2］。广泛分布于云南、贵州，遍及四川、广西、西藏等地，且仍在不断地朝华中和华东方向蔓延。紫茎泽兰多侵入农田、草地、路边、宅旁、经济林地和森林。仅云南省就有10个地州98个市县发生面积达24.8万km2，占全省面积的67%[3]。1.1.2紫茎泽兰的危害紫茎泽兰在侵入我国后，因为没有天敌的控制大量繁殖和蔓延，其危害性极大，主要体现在以下几个方面：破坏畜牧业生产。紫茎泽兰对畜牧生产的危害，表现为侵占草地，造成牧草严重减产。天然草地被紫茎泽兰入侵3年就失去了放牧利用价值，常造成家畜误食中毒死亡。紫茎泽兰对马属动物的毒性（种子和花粉可引起哮喘；种子被吸入气管和肺可引起组织坏死和死亡）和牛的拒食性已被肯定。目前，凉山州紫茎泽兰危害面积已达26万公顷以上，每年牧草减产5亿公斤以上，家畜死亡3000头以上，经济损失2100多万元[4]。破坏农业生产。紫茎泽兰生活力强，适应性广，化感作用强烈，易成为群落中的优势种，甚至发展为单一优势群落。紫茎泽兰叶、根的水提液可抑制多种粮食作物及蔬菜种子的萌29 xxx学院本科毕业论文绪论发及幼苗生长。紫茎泽兰对土壤养分的吸收性强，能极大耗损土壤肥力，对土壤可耕性的破坏也较严重[5]。严重破坏生态、景观，影响林业生产。破坏本地植被群落结构、影响园林、旅游业景观。紫茎泽兰的生命力、竞争力及生态可塑性极强，能迅速压倒其它一年生植物。它的植株能释放多种化感物质,排挤其他植物生长,常常大片发生,形成单优种群，破坏生物多样性，破坏园林景观，影响林业生产。紫茎泽兰对林业的危害是侵占宜林荒山、影响造林、林木生长和采伐迹地的天然更新；侵入经济林地，影响茶、桑、果的生长，管理强度成倍增加，耗费大量的人力与经费，且严重威胁了经济作物的发展[6]。对人类健康也有危害。紫茎泽兰植株内含有芳香和辛辣化学物质和一些尚不清楚的有毒物质，其花粉能引起人类过敏性疾病。紫茎泽兰现在已经成为整个东南亚最大的入侵物种，它所带来的危害已经严重影响到人们的生产生活。1.1.3紫茎泽兰的防治在紫茎泽兰的防治方面，因为其入侵已经有较长的时间，前人对紫茎泽兰的防除进行过多种途径的试验，有的已加以实施。主要的防治手段有：人工和机械防除：每年冬、春季节，是紫茎泽兰休眠并孕育新芽的时期，可人工连根整株挖除、焚烧或深埋处理。在其茂盛和开花结籽期人工割除，或使用装有旋转式刀具的轮式或履带式拖拉机割除[7]，可作燃料或沤肥[8]。但该法不能彻底除去遗留残根，加之环境复杂，使机械防除受到一定限制。化学防除：用除草剂在春夏季之交、夏秋季节或营养生长旺盛时期喷雾进行防除。专门针对紫茎泽兰的常用除草剂配方主要有0.6％～0.8％的2,4一D溶液；0.3％～0.6％的2,4一D丁脂和2,4,5一T；5.0％氯酸钠溶液[9]。另外,在三氯吡氧乙酸中加入不同的表面活性剂OPEO(octy—phenolethyleneoxide)和SABS(sodiumalkylbenzenesulfonate),可以增强效果。也可用10％草甘膦lkg兑水50kg，再加0.1％的洗衣粉，使用前滴加20滴三十二烷醇按750kg/hm2喷施[10]。植被生态替代：主要是利用一些生长快、竞争性强的禾本科草类，覆盖地表防止紫茎泽兰侵入或实施替代，以阻止紫茎泽兰滋生、繁殖和种子萌发生根[11]。已报道的可用替代植物有芒类、棕叶芦、类芦、卡开芦、裂稃草、野古草、山白草、硬杆子草，以及豆科的红、白三叶草、光叶紫花苕、木豆(三叶豆)等。近年来从哥伦比亚引种的禾本科植物皇竹草，据贵州试栽后发现，种植粗放，生长快，侵占能力强，株高叶茂，能挡住飘飞的紫茎泽兰种子，使其难以蔓延[12]。生物控制：泽兰实蝇(ProcecidocharesutilisStone)29 xxx学院本科毕业论文绪论是专性寄生昆虫，将卵产在紫茎泽兰生长点上，孵化后即蛀入幼嫩部分取食。可利用其幼虫在紫茎泽兰上完成生活史，产生虫瘿，控制开花结实的习性开展生物防治[13-15]。食花虫(Dihammusargentatus)与泽兰实蝇和一种真菌结合起来也可减缓紫茎泽兰的扩散。泽兰尾孢菌(Cercosporoeupatoric)可引起紫茎泽兰的叶失绿而阻碍其生长。最近，从紫茎泽兰植株上分离、筛选的链格孢菌(Alternariaaltemata)菌株的菌丝体和代谢产物有望发展为真菌除草剂或生物源化学除草剂来防治紫茎泽兰。总之，利用生态替代和生物防治的方法控制紫茎泽兰是目前研究的热点之一[16]。1.1.4紫茎泽兰的利用紫茎泽兰原来是被作为杂草而被直接清除和焚烧掉，随着社会的发展和人们环保意识的增强，近年广大学者和专家对利用紫茎泽兰开始有了较多的关注。现阶段研究的方向主要是在农业上和工业生产上的利用。农业方面紫茎泽兰含大量氮、磷、钾及丰富的微量元素[17,18]，常用于作为生物有机肥源。民间早在20世纪70，80年代将其嫩枝叶踩、堆于水田和粪池中沤腐作肥。可割青用作绿肥和堆肥原料，发酵后作基肥施用，也可利用催腐剂快速堆腐成有机肥料施用[19]；紫茎泽兰虽含有毒成分，但经青霉属、曲霉属等菌种好氧发酵后，能显著降解其有毒物质，可脱毒作为饲料原料配成混合饲料喂养猪等家畜[20,21]；紫茎泽兰含有l0余种活性物质，对蚜虫、米象等害虫有防治效果。因此用其提取的精油可制成杀虫剂，为生物农药提供新的来源。尼泊尔用其叶片直接防治马铃薯害虫黄蚂(Dorylusorientalisn)[22]。工业方面使用八孢裂殖酵母(Schizosacccharomycesoctosporus)等微生物发酵紫茎泽兰生产木糖醇，用于医药和食品工业中[23]。紫茎泽兰对沼气微生物有抑制作用，不能直接作沼气发酵用，但经好氧发酵处理后可作沼气发酵原料。有研究表明：每吨紫茎泽兰脱毒素后可产沼气77m3。紫茎泽兰含纤维素高，可加工成纸板、压模板，生产建筑用模板[24]。另据报道，在云南大理巍山，民间利用紫茎泽兰作染料，染出的布颜色鲜艳明亮，不易褪色[25]。在使用紫茎泽兰杆茎制备活性炭方面，云南的一些院校学者进行了实验室阶段的实验，据文献现阶段使用紫茎泽兰制取活性炭的得率达到33.6%[26]。随着社会的发展和科技力量的增强，紫茎泽兰中的有用成分和整体的利用将会更大的拓展。这种在现阶段被人们所厌恶的植物，在未来展现出它的魅力。29 xxx学院本科毕业论文绪论1.2活性炭的发展历史1.2.1国内发展史我国在活性炭的研发和利用方面起步较晚，活性炭在国内的发展主要可以分为三个阶段[27]，分别是：(1)第一阶段使20世纪40年代以前，我国制药工业、化学工业中使用活性炭量大，都用进口货，例如用Carboraffin牌的活性炭。(2)第二阶段自20世纪50年代初开始，国产活性炭上市。1951年沈阳和抚顺的单管炉厂、青岛的反射炉闷烧法厂、上海的电热活化厂，接着氯化锌活化厂，1958年福建、杭州、广州、烟台、东北等地纷纷建厂，1966年太原开创斯列普活化法厂，随后我国陆续开设数以百计的斯列普炉厂。此外，还有不少的转炉、粑式炉等工厂。总生产能力从1951年的五十吨猛增到20世纪80年代的近十万吨。（3）第三阶段近现代生产与应用相互促进，活性炭的应用范围被迅速开拓。从原来单一的通用炭向多种的专用炭发展，例如净水炭、糖炭、味精炭、油脂炭、黄金炭、载体炭、药用炭、针剂炭、试剂炭等等，足见活性炭因国内经济蒸蒸日上而应用量速增，又因产量扩大、成本降低而使出口量上升。我国活性炭的应用，不仅在国内市场发展，而且进入了国际市场。虽然我国在活性炭方面的研究和利用起步较晚，但是我国在活性炭的研究方面有着巨大的优势，广袤的森林为活性炭的研究提供和充足的原料供给。近年我国在活性炭的利用和研究方面都加大了力度，相信我国会在活性炭的研究利用方面取得更大的成绩。1.2.2国际发展情况国际上对活性炭的研究和利用起源于20世纪，发展历程可简单分为三个阶段[27]：(1)第一阶段，从20世纪初到约20世纪20年代为萌芽阶段:(2)第二阶段，从约20世纪20年代中期为成长阶段;(3)第三阶段，从20世纪中期到20世纪末期为发展阶段，发展成为环保应用阶段。随着活性炭在生产生活中越来越广的使用，各国学者和专家在活性炭的研究上对寻找更好的生产方法和替代木材和煤为原料生产活性炭的原料29 xxx学院本科毕业论文绪论投入了更多的关注。1.3活性炭的制备方法活性炭制备传统上分为化学活化法和气体活化法两种[28]，但由于制备活性炭的原料越来越来广泛，从木屑、木炭、煤、石油、沥青、泥煤为原料，到近年来，利用农林副产物、纸浆废液以及许多含碳的工业废料。其他相关技术的发展以及科学的进步,使活性炭的制备有了新颖的方法和途径。1.3.1化学活化法化学活化法是把化学药品加入原料中，然后在惰性气体介质中加热，同时进行炭化和活化的一种方法，通常采用锯屑等植物性原料[29]。通过选择合适的活化剂，把活化剂与原料混合后直接活化一步可制得活性炭。按活化剂不同可分为ZnC12法、KOH法、H3PO4法[30]。药品活化法有三大缺点：①对设备腐蚀性很大；②污染环境；③活性炭中残留有化学药品活化剂，应用方面受到限制。①磷酸法磷酸活化原则上是将精细粉碎的原料与磷酸溶液混合，接着混合物被烘干，并在转炉内加热到400～600℃，众所熟知的工艺过程是在较高的温度下(1100℃)进行的[31]。②氯化锌法氯化锌法制造工艺为在原料中加入重量是原料0.5～4倍、比重为1.8左右的浓氯化锌溶液并进行混合，让氯化锌浸渍，然后在回转炉中隔绝空气加热至600-700℃，由于氯化锌的脱水作用，原料里的氢和氧主要以水蒸气的形式放出，形成多孔性结构发达的炭[32]。③氢氧化钾法选用经一次炭化核桃壳或石油焦，加入1～5倍氢氧化钾，充分混合，系统通氮气保护，低温脱水，高温活化，可制得高比表面积活性炭[33]。1.3.2气体活化法气体活化法是把原料炭化以后，用水蒸气、二氧化碳、空气、烟道气等，在600～1200℃下进行活化的方法。它的主要工序为炭化和活化，炭化就是将原料加热，预先除去其中的挥发成分，制成适合于下一步活化用的炭化料。炭化过程分为400℃以下的一次分解反应，400～700℃的氧键断裂反应，700～1000℃29 xxx学院本科毕业论文绪论的脱氧反应等三个反应阶段[34]，原料无论是链状分子物质还是芳香族分子物质，经过上述三个反应阶段获得缩合苯环平面状分子而形成三向网状结构的炭化物。1.4紫茎泽兰制备活性炭的意义紫茎泽兰原产中美洲的墨西哥，大约解放前后侵入我国。现已蔓延到四川西南部凉山地区和贵州西部，并且每年以30km左右的速度继续向北推进[1]。紫茎泽兰严重蔓延地区，不仅阻碍交通，堵塞水渠，影响农事活动的正常开展，而且对药用及蜜源植物危害也极大，危及了养蜂业和药用植物的发展。若能将其加以有效利用，可减轻生态压力，提高其附加值，产生一定的社会经济效益。活性炭是由含碳物质制成的吸附能力较强的一类微晶质碳[35]，广泛应用于社会生活的多个领域。活性炭的一般制取方法是利用木炭、竹炭、各种果壳和优质煤等作为原料，通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加工制造而成。然而木质活性炭的生产需砍伐大量树木，使森林覆盖率降低，导致水土流失等。因此探索活性炭生产的新方法和寻找替代原料已成为生产木质活性炭的当务之急。紫茎泽兰的杆茎中含有大量的纤维素、半纤维素、木素、有机质等成分。因此可考虑利用紫茎泽兰杆茎制造活性炭，这样不仅可以拓宽活性炭的原料来源，同时还可以将紫茎泽兰变害为宝，对控制紫茎泽兰的肆意蔓延起到积极的作用。1.5紫茎泽兰制备活性炭的现状和展望1.5.1紫茎泽兰制备的现状1.5.1.1国内紫茎泽兰制备活性炭现状目前国内对紫茎泽兰制备活性炭的研究仅局限于实验阶段主要有：2008年昆明理工大学材料与冶金工程学院的夏洪应、彭金辉、杨坤彬等人对以紫茎泽兰为原料，用碳酸钾作为活性炭催化活化剂，采用超声波浸渍原料，微波辐射的方法制备活性炭进行了研究，通过几人认真的琢磨和不断的实验，其紫茎泽兰制取活性炭的得率达到16.35%[36]。2009年10月西南林学院木质科学与装饰工程学院的吴春华，秦永剑，张加研，巫伟，许海波等人对夏洪应等人所做的试验作出调整和优化,29 xxx学院本科毕业论文绪论用紫茎泽兰为原料，以氯化锌作为活性炭催化活化剂，采用超声波浸渍原料，微波辐射的方法制备活性炭,其活性炭的得率达到33.8%[26]。从两个实验可以看出，在实验中均采用了微波辐射加热的方法进行活化,而在传统的活性炭制作方法方面并没有相关的文献介绍。1.5.1.2国外紫茎泽兰制备活性炭现状在查阅的大量文献中国外现在研究的方向主要是各种坚果的壳，在紫茎泽兰的研究上还没有看到相关的文献。1.5.2紫茎泽兰制备活性炭的展望随着活性炭制备工艺条件不断改进和活性炭在更多领域的应用，使活性炭的制取引起更多的关注。从20世纪70年代前的制糖、制药和味精工业，到20世纪80年代后的水处理和环保等行业，再到20世纪90年代的溶剂回收、食品饮料提纯、空气净化、脱硫、载体、医药、黄金提取、半导体应用等领域[37-40]。活性炭越来越广的融入到人们的生活。紫茎泽兰从大量蔓延开始，各国的学者专家就在积极地进行研究。从单一的物理清，除到化学防治，再到研究其成分并加以利用。近年来发现的利用紫茎泽兰制备活性炭这一新兴的利用方法，吸引了越来越多的目光。从现阶段的研究情况分析，使用紫茎泽兰制备活性炭这一方法的发展方向可能是：寻找更好的活化剂使产品的得率和吸附能力提升到一个新的高度，为使之能用于工业生产当中；寻找更好的制备方法使之更便于大规模的工业生产。1.6课题研究的目的和内容本论文通过控制紫茎泽兰制备活性炭的相关参数：1）确定活化剂浸渍紫茎泽兰的最佳质量分数。2）确定活化剂浸渍紫茎泽兰的最佳浸渍时间。3）确定微波辐射紫茎泽兰活化的最佳辐射功率。5）确定微波辐射紫茎泽兰活化的最佳辐射时间。6）确定紫茎泽兰制取活性炭的较好的活化剂和实验方法。1.7课题研究的可行性紫茎泽兰在29 xxx学院本科毕业论文绪论我国云南、贵州、四川、广西、重庆、西藏、广东、湖南、海南等省区已有广泛分布和形成危害。近期报道在湖北三峡库区亦发现有紫茎泽兰，是目前我国分布纬度最北的记录[1]。这种外来恶性杂草在全国的发生面积近3000万hm2，在云南省10多个地州90多个县市已达24．8万km2。目前，紫茎泽兰正以每年20～60km的速度向北向东推进。在国家环保局首批定为最重要的16种外来人侵物种中，紫茎泽兰名列首位，是我国面临的重大生态灾害物种之一。前人对紫茎泽兰进行过诸多方面的研究，如分布、危害、生物学、生态学特性，化学成分、防除方法等。由于工业的迅速发展，越来越多的领域中要用到活性炭。不同的生物质活性炭的研究和应用实例，使我们看到利用生物质制取活性炭是行之有效的工艺。在紫茎泽兰制取活性炭的研究领域昆明理工大学的夏洪应等人对以紫茎泽兰为原料，用碳酸钾作为活性炭催化活化剂，采用超声波浸渍原料，微波辐射的方法制备活性炭进行了研究实验[36]，其紫茎泽兰制取活性炭的得率能够达到16.35%；在一年以后西南林学院的吴春华等人对夏洪应等人所做的试验作出调整和优化,活性炭催化活化剂改为以氯化锌，同样采用超声波浸渍原料，微波辐射的方法制备活性炭,其活性炭的得率提高到33.8%[26]。从上面的原料来源分析和理论支持分析，使用紫茎泽兰制备活性炭这一方法是可行的，虽然在实验完成的过程中可能出现一些没有考虑到的问题，到在文献资料的查询，自己的探索思考和老师的帮助下，相信这一课题研究一定会取得最后的成功。29 xxx学院本科毕业论文实验材料与原理2实验材料与原理2.1实验材料、设备和试剂2.1.1实验材料攀枝花学院附近区域生长的，一年以上的紫茎泽兰。2.1.2实验设备微波炉(G700CTL20Ⅱ-K6)，烧杯，锥形瓶，坩埚，镊子，玻璃棒，电子天平，铁架台，漏斗，滤纸，滴定管，容量瓶，碘量瓶，电炉，粉碎机，过滤网，恒温箱2.1.3实验试剂氯化锌，氢氧化钠，碘，碘化钾，硫代硫酸钠，20%盐酸，10%盐酸,去离子水，淀粉试剂。2.1.4实验试剂的配制1mol/L碘标准溶液，浓度控制在0.1±0.002mol/L0.1mol/L硫代硫酸钠标准溶液0.5g/100ml淀粉指示剂2.2实验原理2.2.1活性炭制备原理将紫茎泽兰杆茎经过干燥粉碎后，使用活化剂（氯化锌、氢氧化钠）进行浸渍，在浸渍一定时间后过滤干燥，将干燥后的样品装入加盖密封的坩埚中，放入微波炉中使用微波加热的方式进行活化。在实验过程中进行参数的控制，得到不同的产品。29 xxx学院本科毕业论文实验材料与原理2.2.2活性炭碘吸附值测定的原理将活性炭产品粉碎至100目以下，取一定量的粉碎样品对1mol/L的碘液进行吸附，充分振荡后，进行快速过滤，取一定量滤液，用0.1mol/L硫代硫酸钠滴定进行残留的碘量的测定。29 xxx学院本科毕业论文试验方法与实验过程3.试验方法与实验过程3.1实验方案实验前查阅参考文献发现浸泡时间24h，微波辐射时间2.5min，功率采用700W×60%在制备活性炭中为较好的试验参数[26]。因此在初始实验的设计时，使用这几个参数为原始参数。3.1.1以氢氧化钠作为活化剂制备活性炭的实验方案以紫茎泽兰为原料，氢氧化钠为活化剂，采用常规浸渍，微波辐射法制备活性炭。研究浸渍时间、浸渍活化剂质量分数、微波功率、微波辐射时间对活性炭吸附性能和得率的影响。紫茎泽兰干燥粉碎浸渍处理过滤干燥微波处理酸洗水洗干燥NaOH+H2O活性炭产品图3.1氢氧化钠制备活性炭工艺流程图图3.1所示为本实验工艺流程图，实验过程中主要对以下几个因素进行控制：a、浸渍实验在24h浸渍时间、420W微波功率、2.5min微波辐照时间的条件下，随着氢氧化钠质量分数的提高，产品活性炭吸附性能和得率的影响。每十个百分点为一组，记录一次。b、浸渍时间对活性炭吸附性能和得率的影响用在a实验中得率最高的氢氧化钠质量分数、420W微波功率、2.5min微波辐照时间的条件下，氢氧化钠浸渍时间对活性炭吸附性能和得率的影响.每1h为一组，记录数据。29 xxx学院本科毕业论文试验方法与实验过程c、微波功率对活性炭吸附性能和得率的影响用在a实验中得率最高的氢氧化钠质量分数、用在b实验中得率最高的浸渍时间、2.5min微波辐照时间的条件下，微波功率对活性炭吸附性能和得率的影响。分为700W,560W,420W,280W,140W五组，分别记录数据。d、辐照时间对活性炭吸附性能和得率的影响用在a实验中得率最高的氢氧化钠质量分数、用在b实验中得率最高的浸渍时间、c实验中得率最高的微波功率的条件下，微波辐照时间对活性炭吸附性能和得率的影响。每1min为一组，记录数据。e、优化实验用上面两个实验的最佳结果分析后进行因素综合，得到最佳实验控制条件。用该条件实验反复三次得出活性炭的产率。3.1.2以氯化锌作为活化剂制备活性炭的实验方案以紫茎泽兰为原料，氯化锌溶液为活化剂，采用常规浸渍，微波辐射法制备活性炭。研究了浸渍时间、浸渍活化剂质量分数、微波功率、微波辐射时间对活性炭吸附性能和得率的影响。紫茎泽兰干燥粉碎浸渍处理过滤干燥微波处理酸洗水洗干燥ZnCl2+H2O活性炭产品图3.2氯化锌制备活性炭工艺流程图图3.2所示为本实验工艺流程图，实验过程中主要对以下几个因素进行控制：氯化锌作为活化剂制备活性炭的实验参数控制与使用氢氧化钠作为活化剂制取活性炭的试验参数控制相同，因此不做再一次的阐述，详情见3.1.1节中氢氧化钠的控制参数方法。3.2碘吸附值测定方案采用标准硫代硫酸钠溶液滴定经活性炭吸附后的剩余碘液中的碘含量的方法29 xxx学院本科毕业论文试验方法与实验过程，先活性炭产品粉碎至100目以下,放入150±5℃恒温箱中干燥至恒重，然后用一定量的活性炭对标准碘液进行吸附，最后用标准硫代硫酸钠溶液滴定剩余碘，因而得到活性炭的碘吸附值，具体过程和方法见实验过程。3.3实验过程3.3.1原料处理将采集的两年生紫荆泽兰杆先自然干燥，等较为干燥后事用恒温箱100℃干燥2h，使含水量低于10%，使用粉碎机粉碎至1-3mm，由于实验时间较长，为了保持实验样品的一致性，使用低温干燥密封保存。3.3.2活性炭制备3.3.2.1氢氧化钠为活化剂制备活性炭称取10g处理后紫茎泽兰秆，用氢氧化钠溶液浸渍一定时间后，把浸泡后的样品过滤干燥后装入有盖坩埚，用微波辐照进行活化，对活化产品采用10%体积分数的稀盐酸溶液煮沸30min，重复酸洗3次，然后用自来水进行水洗，使样品的PH达到中性，再用去离子水洗几次；最后烘干成品活性炭。在实验中应注意，经过氢氧化钠处理的样品，在酸洗过程中会与盐酸反应生成大量气泡，所以洗涤时要特别小心，采用少量多次的方法，防止溶液溢出，而影响产品质量。3.3.2.2氯化锌为活化剂制备活性炭称取10g处理后紫茎泽兰秆，用氯化锌溶液浸渍一定时间后，把浸泡后的样品过滤干燥后装入有盖坩埚，用微波辐照进行活化，对活化产品采用10%体积分数的稀盐酸溶液煮沸30min，重复酸洗3次，然后用自来水进行水洗，使样品的PH达到中性，再用去离子水洗几次；最后烘干成品活性炭。3.3.3碘吸附值测定将样品活性炭粉碎到100目以下，放入150±5℃恒温箱中进行干燥，干燥至恒重取出，准确称取0.5g样品活性炭粉末至100ml碘量瓶中，准确加入10%质量分数的盐酸10ml，加热至沸腾,并微沸保持(30±2)29 xxx学院本科毕业论文试验方法与实验过程s，等降温到室温再向其中加入50ml的0.1ml/L碘标准溶液，立刻盖好瓶盖,在震荡机上以230-275转/s搅拌15min，然后用单层滤纸迅速过滤。用移液管吸取10ml滤液于250ml碘量瓶中,加水100ml,用0.1mol/L硫代硫酸钠标准溶液进行滴定，滴定至淡黄色时,向碘量瓶中加入2ml淀粉指示剂，继续滴定使溶液变成无色，记录硫代硫酸钠消耗量[41]。3.4实验参数的控制3.4.1活化剂浓度改变对活性炭的得率和吸附值的影响3.4.1.1实验操作该组实验室探讨活化剂浓度对活性炭得率和吸附值的影响，因此固定其他变量和原始实验设置中一样。活化剂浓度的变化设置为从10%-50%，并且每十个百分点位一组，两种活化剂共十组实验，将活化剂溶液分别与10g样品进行混合，浸泡24h，对浸渍后的样品分别按照制备方法进行操作，得到的产品在恒温箱中150±5℃干燥至恒重，称量并记录各组的重量。碘吸附值的测定方法同3.3.3，分别记录十组实验的硫代硫酸钠的消耗量。3.4.1.2数据整理得率计算：n=m1/m×100%碘吸附值计算[42]：A=1270（1-0.12V2）D公式的化简和字母含义见附录一。由公式计算实验数据得到活化剂浓度对活性炭产率和碘吸附值的影响数据统计表如下表：表3.1氯化锌浓度对活性炭产率和碘吸附值的影响数据统计表组别活化剂质量分数得率碘吸附值(mg/g)110%32%874.16220%34%919.20330%35%980.48440%38%1019.50550%36%906.7729 xxx学院本科毕业论文试验方法与实验过程通过表3.1分析可以得到:在24h浸渍时间、420W微波功率、2.5min微波辐照时间的条件下，产品活性炭的吸附性和得率随着活化剂质量分数的提高而逐渐提高。但当活化剂质量分数超过50％时，两者都呈现明显的下降。因此，推断氯化锌作活化剂生产的活性炭最佳质量分数为40％。表3.2氢氧化钠浓度对活性炭产率和碘吸附值的影响数据统计表组别活化剂质量分数得率碘吸附值(mg/g)110%15.8%703.91220%16.7%765.92330%17.3%780.43440%17.9%838.81550%13.2%710.32通过表3.2分析可以得到:在24h浸渍时间、420W微波功率、2.5min微波辐照时间的条件下，产品活性炭的吸附性和得率随着活化剂质量分数的提高而逐渐提高。但是当活化剂质量分数超过50％时，产品的得率和碘吸附值都呈现明显的下降。因此，氢氧化钠作为活化剂生产的活性炭的最佳质量分数为40％。3.4.2浸渍时间对活性炭得率和碘吸附值的影响3.4.2.1实验操作由表3.1和表3.2的结果分析，两种活化剂的最佳浸渍质量分数均为40%，因此可维持质量分数40%，微波辐射时间2.5min，功率采用700W×60%不变寻找活化剂浸渍的最佳浸渍时间。由查询资料显示氯化锌的最佳浸渍时间为18h左右，而氢氧化钠的最佳浸渍时间为24h左右，因此设置实验组为：氯化锌为15-20h，氢氧化钠为20-25h，其时间间隔均为每小时一组，按条件反应得到的产品在恒温箱中150±5℃干燥至恒重，分别记录各组的重量。碘吸附值的测定方法同3.3.3，分别记录各组实验样品测定时，硫代硫酸钠消耗量。3.4.2.2数据整理计算方法和公式见于3.4.1.2节的的数据处理方法。活化剂浸渍时间对活性炭产率和碘吸附值的影响数据统计表如下表:29 xxx学院本科毕业论文试验方法与实验过程表3.3活化剂氯化锌浸渍时间对活性炭产率和碘吸附值的影响数据统计表组别浸渍时间(h)得率碘吸附值(mg/g)11536.2879.37216381022.7631738.61027.8841839.11029.9451938.41022.7662037.1976.15由表3.3分析可以看出由氯化锌作为活化剂浸渍制取活性炭时，当浸渍时间为18h的时候，产品的得率和碘吸附值都要明显高于其他时间段的产品，以此可推测得到当浸渍时间为18h时，为氯化锌的最佳浸渍时间。表3.4活化剂氢氧化钠浸渍时间对活性炭产率和碘吸附值的影响数据统计表组别浸渍时间(h)得率碘吸附值(mg/g)12016.2764.4922116.7765.9232217.0778.9942317.7826.8352417.9842.2662517.4786.82由表3.4分析可以看出由氢氧化钠作为活化剂浸渍制取活性炭时，当浸渍时间为24h的时候，产品的得率和碘吸附值都要明显高于其他时间段的产品，以此可推测得到当浸渍时间为24h时，为氢氧化钠的最佳浸渍时间。3.4.3微波功率对活性炭得率和碘吸附值的影响3.4.3.1实验操作根据本次实验使用的仪器观察发现：微波炉的是最大输出功率700W，而我们能使用的有效功率分别是：700W、560W、420W、280W、140W。在由表3.1-3.4的数据分析结果知道用氯化锌作为活化剂时最佳浸渍时间为18h，最佳浸渍质量分数为40%；氢氧化钠作为活化剂是时最佳浸渍时间为24h，最佳浸渍质量分数为40%。以此可控制这两个最佳条件不变，保持微波辐射时间为2.5min，改变微波功率进行实验操作，得到的产品在恒温箱中150±5℃干燥至恒重，分别记录各组的重量。29 xxx学院本科毕业论文试验方法与实验过程碘吸附值的测定方法同3.3.3，分别记录各组的硫代硫酸钠消耗量。3.4.3.2数据整理计算方法和公式见于3.4.1.2节的的数据处理方法。微波功率对活性炭产率和碘吸附值的影响数据统计表如下表表3.5微波功率对氯化锌制备活性炭产率和碘吸附值的影响数据统计表组别微波功率(W)得率碘吸附值(mg/g)170026.4%838.81256037.9%1019.50342034.2%944.07428020.1%780.43514000从表3.5分析可以看出，微波功率过大和过小都对活性炭的生成有影响。当功率过大时样品在过高温度下炭化过度，成为灰烬；而微波功率过小时，由于温度过低，使样品不能炭化。由数据显示可知道，当使用560W的微波功率时，使用氯化锌作为活化剂生产的样品的得率和碘吸附值更好，因此推断最佳微波功率为560W。表3.6微波功率对氢氧化钠制备活性炭产率和碘吸附值的影响数据统计表组别微波功率(W)得率碘吸附值(mg/g)170014.8%764.49256018.4%840.2734209.8%568.9642804.8%0514000从表3.6分析可以看出，微波功率过大和过小都对活性炭的生成有影响。当功率过大时样品在过高温度下炭化过度，成为灰烬；而微波功率过小时，由于温度过低，使样品不能炭化。由数据显示可知道，当使用560W的微波功率时，使用氢氧化钠作为活化剂生产的样品的得率和碘吸附值更好，因此推断最佳微波功率为560W。29 xxx学院本科毕业论文试验方法与实验过程3.4.4微波辐射时间对活性炭得率和碘吸附值的影响3.4.4.1活性炭的制备由于前面的三个参数均得到最佳的实验条件，因此可保持活化剂质量分数，浸渍时间，微波辐射功率不变，控制微波辐射的时间变化，从而得到最佳的辐射时间。其中氯化锌浸渍的五组的氯化锌质量分数为40%，浸渍时间为18h，微波辐射功率560W；氢氧化钠浸渍的五组氢氧化钠质量分数为40%，浸渍时间为24h，辐射功率560W。微波辐射时间控制在1-5min内，每一分钟为一个时间间隔。进行试验，得到的产品在恒温箱中150±5℃干燥至恒重，分别记录各组的重量。碘吸附值的测定方法同3.3.3，分别记录各组的硫代硫酸钠消耗量。3.4.4.2数据整理计算方法和公式见于3.4.1.2节的的数据处理方法。微波辐射时间对活性炭产率和碘吸附值的影响数据统计表如下表表3.7微波辐射时间对氯化锌制备活性炭产率和碘吸附值的影响数据统计表组别微波辐射时间(min)得率碘吸附值(mg/g)11002222.3%790.793338.8%1029.944434.2%932.925533.5%885.00表3.8微波辐射时间对氢氧化钠制备活性炭产率和碘吸附值的影响数据统计表组别微波辐射时间(min)得率碘吸附值(mg/g)11002210.5%675.643318.1%842.264416.1%764.495513.3%709.13由表3.7和表3.8可以看出产品的得率和吸附值随着时间的增长而增加，但是当时间超过3min后，产品的得率和吸附值又开始下降。分析原因可能是因为时间过短是样品还没有完全炭化，而当时间超过一定限度时，样品开始过炭化形成灰烬是产品减小，而过炭化也是活性炭的空隙破坏从而吸附值也减小。分析表中数据可以得出最佳微波辐射时间为3min。29 xxx学院本科毕业论文试验方法与实验过程3.5最佳参数组合实验及分析通过前面的各个参数单因子变化的确定和处理，可以确定两种活化剂的活化下，的各个因子进行综合出一组得率高且碘吸附值也相对较高的实验因数组合，由此综合分析得出两组实验的最佳组合控制条件。3.5.1氯化锌为活化剂制备活性炭3.5.1.1实验操作根据3.4节的单参数控制反应的结果，可以得到使用氯化锌作为活化剂制备活性炭的最佳的参数为氯化锌质量分数40%，浸渍时间18h，微波辐射功率560W，微波辐射时间3min。保持这些因数不变，进行三次重复试验操作，记录每组得到的样品质量。碘吸附值的测定方法同3.3.3，分别记录各组硫代硫酸钠的消耗量。3.5.1.2数据处理计算方法和公式见于3.4.1.2节的的数据处理方法。使用氯化锌作为活化剂的最佳组合条件下进行重复试验得到的活性炭得率和碘吸附值的统计表如下：表3.9氯化锌作为活化剂的最佳组合条件下进行重复试验数据统计表组别活化剂质量分数浸渍时间(h)微波功率(W)微波时间(min)得率碘吸附值（mg/g）140%18560339%1023.8240%18560339.1%1029.94340%18560339%1029.94由表3.9中的数据分析可计算出平均得率和最大碘吸附值。平均得率n=（39%+39.1%+39%）/3=39.03%平均碘吸附值：A=(1023.8+1029.94+1029.94)/3=1027.89mg/g29 xxx学院本科毕业论文试验方法与实验过程3.5.2氢氧化钠为活化剂制备活性炭3.5.2.1实验操作根据3.4节的单参数控制反应的结果，可以得到使用氢氧化钠作为活化剂制备活性炭的最佳的参数为氢氧化钠质量分数40%，浸渍时间24h，微波辐射功率560W，微波辐射时间3min。保持这些因数不变，进行三次重复试验操作，记录每组得到的样品质量。碘吸附值的测定方法同3.3.3，分别记录各组硫代硫酸钠的消耗量。3.5.2.2氢氧化钠为活化剂计算方法和公式见于3.4.1.2节的的数据处理方法。使用氢氧化钠作为活化剂的最佳组合条件下进行重复试验得到的活性炭得率和碘吸附值的统计表如下：表3.10氢氧化钠作为活化剂的最佳组合条件下进行重复试验数据统计表组别活化剂质量分数浸渍时间(h)微波功率(W)微波时间(min)得率碘吸附值（mg/g）140%24560318.3%842.26240%24560318.5%844.34340%24560318.4%842.26由表3.9中的数据分析可计算出平均得率和最大碘吸附值。平均得率n=(18.3%+18.5%+18.4)%/3=18.4%平均碘吸附值A=(842.26+844.34+842.26)/3=842.9529 xxx学院本科毕业论文结果分析与实验对比4结果分析与实验对比4.1结果通过分组实验和综合参数重复试验显示的数据分析可得到：使用氯化锌溶液作为活化剂时，最佳活化剂质量分数为40%，最佳浸泡时间18h，最佳微波辐射功率560W，最佳活化时间3min，得到活性炭的有效得率39.03%，碘吸附值为1027.89mg/g。使用氢氧化钠溶液作为活化剂时，最佳活化剂质量分数为40%，最佳浸泡时间为24h，最佳微波辐射功率560W，最佳活化3min，得到活性炭的有效得率为18.4%，碘吸附值为842.95mg/g。4.2综合对比从实验结果显示的数据进行综合分析可得：使用氯化锌溶液作为活化剂时，得到活性炭的有效得率39.03%，碘吸附值为1027.89mg/g，比查询资料显示活性炭的得率为33.6%，碘吸附值为1080.84mg/g的得率要高，而碘吸附值要低[32]。进过分析可能是因为攀枝花地区的紫茎泽兰的木质素要高于云南地区的紫茎泽兰，实验室条件和的实验能力的差异，使得出现不一样的实验结果。由于在能够查询到的资料中没有使用氢氧化钠作为活化剂制取紫茎泽兰的相关文献和报道所以不能进行我的实验结果和其他人的比较[40]。在相关资料中有显示使用氢氧化钠制取的活性炭是一种作电容的优良材料。通过对所做的实验结果对两种不同活化剂活化制备活性炭的方法进行比较我们不难看出氯化锌的浸渍所花费的时间远少于氢氧化钠的浸渍时间，而氯化锌活化制备的活性炭不论在得率还是吸附能力方面都要高于氢氧化钠，因此我们可以得出结论氯化锌制取的活性炭比使用氢氧化钠制备活性炭更具有研究和实用前景。29 xxxx学院本科毕业论文结论与展望5结论与展望从所作实验的数据和过程进行观察和分析可以得到以下结论：（1）使用紫茎泽兰制取活性炭这一新兴的方法是可行的；（2）通过实验知道使用氯化锌作为活化剂，用微波活化制取活性炭比使用氢氧化钠作为活化剂，用微波活化制取活性炭的得率高；（3）使用氯化锌作为活化剂制取的活性炭具有较高的吸附性能。本世纪是一个提倡环保和和谐的世纪，随着工业的蓬勃发展，世界人口的增长，生活条件的改善，环境保护意识的加强以及水资源的紧缺，都将刺激活性炭的工业发展，而紫茎泽兰制取活性炭这一新兴的技术一定会得到长足的发展。虽然在国内还现阶段处在实验室阶段，国外对此方面的研究也还鲜见于我现在可以查询到的资料和文献。但是我们还是可以看到紫茎泽兰在制取活性炭方面的发展前景，紫茎泽兰制备活性炭研究的方向可能在以下几个方面：（1）改进制备工艺，寻找更好的活化剂和制备方法，使活性炭的得率和吸附性达到一个更高的层面；（2）将紫茎泽兰制备活性炭从实验室逐步发展到规模化的工业生产，从而使这一制备方法得到更好的发展；（3）加快拓宽活性炭在社会各个领域的应用，是社会更加关注活性炭的制备和研发能力，使紫茎泽兰这一新兴的方法得到更多的关注和研究[24]。29 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xxx学院本科毕业论文致谢致谢本论文的顺利完成，要感谢xx老师给予了我充分的发挥空间和无微不至的关怀.本文历时四个月,在这四个月里，老师丰富的知识、严谨的治学态度潜移默化地影响着我，激励着我；老师博大的胸襟，和蔼的待人态度更使我终身受益。在实验中韩洪波老师在试验操作和实验仪器方面给予的指导和帮助,同组的王兵和何力在我试验过程中给予的鼓励和帮助。在此向他们表示诚挚的谢意。在这四个月的论文写作和实验操作中,我学到的不仅仅是一种实验思路,更重要的一种学习的方法和做人处事的态度,这些都将在我以后的工作和生活中起到不可轻视的作用.谨向所有关心和帮助过我的老师、朋友和家人致以衷心的感谢！祝福所有关心、帮助和参与了本论文工作的人！xxx20xxx年6月29