大比表面积碳基固体酸催化油酸酯化反应及吸附pb(ⅱ)性能研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：河北工业大学硕士学位论文大比表面积碳基固体酸催化油酸酯化反应及吸附Pb(II)性能研究论文作者：孙立军学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：化学工艺指导教师：薛伟职称：教授资助项目：国家自然科学基金（21236001，21176056）；河北省高校百名优秀创新人才支持计划（II）BR2-208DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofChemicalTechnologySTU

2、DYONTHEAPPLICATIONOFCARBON-BASEDSOLIDACIDWITHLARGESURFACEAREAINCATALYTICESTERIFICATIONOFOLEICACIDANDADSORPTIONOFPb(II)BySunLiJunSupervisor:Prof.XueWeiMay2017ThisworkwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.21236001,21176056),andthePro

3、gramfor100ExcellentTalentsinUniversityofHebeiProvince(II)(BR2-208).摘要近年来，碳基固体酸在催化反应中应用广泛。它是一种以碳材料为主体，通过在其表面修饰酸性基团而得到的固体酸，具有磺酸密度大、分离简单、成本低、环境友好等优点，是一种新型的可替代液体质子酸的强酸催化剂。然而，常规碳基固体酸的比表面积通常较小（<10m2/g），其表面酸性含氧官能团数量较少，使得反应物与催化剂活性中心难以有效接触，在一定程度上影响了其催化性能。因此，开发出一

4、种具有较大比表面积的碳基固体酸，并研究其应用具有重要的意义。以农业废弃物花生壳为原料，经过磷酸活化、部分碳化-浓硫酸磺化过程制备了大比表面积碳基固体酸（CSALA）。采用N2等温吸附-脱附、SEM、XRD、Raman、FT-IR、TG-DTA、XPS和酸碱滴定等手段对其进行了结构表征和酸性质测定。CSALA的比表面积可达329.3m2/g，远远高于常规法制得的碳基固体酸(CSA，3.7m2/g)，其表面存在较高密度的酸性含氧官能团（-SO3H、-COOH、Ph-OH），密度分别为0.52mmol/g、

5、1.43mmol/g和0.33mmol/g。以油酸与甲醇酯化反应为探针反应，考察了CSALA的催化性能。当醇/油摩尔比为10:1、CSALA用量为油酸质量的3%时，在120℃反应4h，油酸转化率可达96.6%。CSALA的重复使用性能较差，当催化剂重复使用第五次时，油酸转化率仅为27.8%。表征发现，-SO3H基团密度严重下降，而这主要归因于-SO3H基团在极性溶剂甲醇中的溶解、脱落。考察了CSALA对水溶液中Pb(II)离子的吸附性能。当接触时间为120min，溶液pH值为5，吸附剂投加量为0.5g

6、/L，初始Pb(II)浓度为100mg/L时，Pb(II)去除率R为76.0%，吸附量Q为148.6mg/g，远优于其活性炭前驱体（R和Q分别为39.7%和83.1mg/g）。分析认为，其较优的吸附性能可归因于其表面高含量的酸性含氧官能团。此外，对CSALA吸附Pb(II)的热力学和动力学特征进行了研究。结果表明，CSALA对Pb(II)的平衡吸附量随吸附温度的升高而增加，说明该吸附是一个吸热过程，这与热力学分析结果一致。拟二级动力学模型能够很好的描述CSALA对Pb(II)的吸附特性，相关系数R2值

7、都在0.999以上。并且，速率常数kads和平衡吸附量qe均随吸附温度的升高而增加，说明高温有利于Pb(II)在CSALA表面的吸附。关键词：大比表面积碳基固体酸；生物柴油；油酸酯化；Pb(II)；吸附动力学；吸附等温线IIIABSTRACTInrecentyears,carbon-basedsolidacid(CSA)waswidelyusedintheacid-catalyzedreactions.Itisakindofsolidacidobtainedbymodifyingacidicgroup

8、sonitssurface.DuetothehighdensitiesofSO3Hgroups,simpleseparationprocess,lowcostandenvironmentallyfriendlycharacteristics,CSAisakindofnovelstrongacidcatalystwhichcanreplacetheliquidacidofBrönstedtype.However,inmostcases,thespecifi