功能性洋葱状介孔材料的合成及应用性能研究

摘要

随着科学技术的发展，染料的使用不断增多，而染料废水的排放也成为了环境污染的一个重要来源。染料废水中的染料分子通常含有一些复杂的有机官能团，这些有机物进入水中不会被氧化，也不会被分解，而是会变得更加稳定，难以被生物降解，对水生生物以及人类都会造成很大的危害。目前已经有很多处理染料废水的方法，包括生物处理法、物理处理法和化学处理法，其中，物理吸附法工艺流程简单，材料制备过程简单，价格便宜，处理效果好，成为目前应用最广泛的染料废水处理方法。洋葱状介孔材料由于其高度有序的多层层状结构，均匀分布的孔径，大的比表面积，大的孔体积以及高度弯曲的孔结构，可作为一种良好的吸附剂材料用于处理染料废水。但其处理染料的种类有限，对于有些染料的去除效果不是很理想，因此需要将其进行功能化，得到功能性洋葱状介孔材料，然后用于去除染料废水中的染料。
　　目前，合成功能性洋葱状介孔材料主要是在合成过程中加入少量的三甲苯、甲苯、苯或烷烃等辅助剂，然而这些辅助剂都具有毒性，且会影响胶束的形成，导致产物的有序性降低。因此，本课题中采用绿色无毒的Span80为添加剂合成材料。
　　本课题中使用非离子表面活性剂P123作为模板剂，低分子量酚醛树脂（苯酚/甲醛）为碳源，正硅酸四乙酯为硅源，Span80为扩孔剂，通过调节酚醛树脂及扩孔剂的用量，利用水热法制备出一系列功能性洋葱状介孔碳/硅材料，并对所合成的功能性材料进行表征及吸附性能实验。吸附性实验选择了具有代表性的阳离子染料罗丹明B（RhB）和阴离子染料甲基橙（MO）进行染料吸附过程及吸附模型研究。具体结果如下：
　　（1）当Span80扩孔剂的用量为0.4g，低分子量酚醛树脂的用量为1g，2g，3g时，合成的功能性材料具有明显的层状结构，洋葱状形貌最佳，呈球形颗粒状，孔径分布均一，在3-5nm之间。氮吸附-脱附等温线呈现为Ⅳ型等温线，滞后环的类型为H2型滞后环，孔结构呈墨水瓶型。
　　（2）pH值、染料初始浓度、吸附温度、吸附剂用量及吸附时间均会影响功能性洋葱状介孔材料对阳离子染料RhB和阴离子染料MO的吸附效果。实验表明，吸附RhB染料的最佳pH值为4，吸附MO染料的最佳pH值为2；染料的初始浓度均选择为40mg/L；吸附温度均为298K；吸附RhB和MO染料的吸附剂用量分别选择为20mg/mg、30mg/mg；吸附时间分别为120min、150min。在最佳吸附条下，功能性洋葱状介孔材料对RhB和MO染料的去除率均高于99％。
　　（3）对比实验结果表明，功能性洋葱状介孔材料（MS-CS-104，MS-CS-204，MS-CS-304）对RhB和MO染料的吸附效果要明显优于洋葱状介孔硅（MS-S）材料，介孔硅材料对阴离子染料的吸附效果较差。重复性实验结果表明，合成的功能性洋葱状介孔材料可多次重复利用。
　　（4）功能性洋葱状介孔材料吸附RhB和MO染料的Langmuir等温模型、Freundlich等温模型和Temkin等温模型的拟合结果表明，所合成的功能性洋葱状介孔材料（MS-CS-104，MS-CS-204，MS-CS-304）对RhB和MO染料的吸附等温模型均符合Freundlich等温模型。动力学模型拟合结果表明，功能性洋葱状介孔材料对RhB和MO染料的吸附均符合准二级动力学模型，通过准二级动力学模型计算得到的理论吸附平衡值与实验所得吸附平衡值很接近，且拟合的相关系数的平方值R2均为0.999。分析功能性洋葱状介孔材料对RhB和MO染料的吸附热力学结果，吸附染料的热力学吉布斯自由能变△G值均小于0，说明该吸附反应是自发进行的；熵变△S值均大于零，表明在功能性洋葱状介孔材料吸附染料的过程中增加了固液体系的混乱度；焓变△H值均大于零，表明功能性洋葱状介孔材料吸附染料的过程属于吸热反应，在一定温度范围内，升高温度能加快反应的进行。

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