介孔碳材料制备及对两类典型有机污染物的吸附性能研究

摘要

染料和抗生素是两类典型的持久性有机污染物。由于应用广泛，所以在环境中普遍存在，对自然环境和人类健康构成严重威胁。开展这两类污染物高效去除技术的研究具有重要的实际意义。
　　本文选取3种典型偶氮染料（亚甲基蓝、橘红和酸黑）和2种典型氟喹诺酮类抗生素（环丙沙星和诺氟沙星）作为目标污染物，试验研究了4种不同形貌、4种不同碳前驱体、氨基化和磁性化等形式的介孔碳的制备和对染料及抗生素的吸附性能，同时对不同形貌和不同碳前驱体介孔碳的再生性能进行了初步探索。
　　用硬模板合成法，以TEOS作为硅源，蔗糖作为碳前驱体，制备具有长棒状、短棒状、球状和块状形貌的介孔碳，考察了不同形貌介孔碳对两类污染物的吸附性能，试验结果表明:球状介孔碳对亚甲基蓝和橘红染料有最好的吸附效果，这是由于球状介孔碳具有最大的比表面积和孔容结构（微孔和中孔）;长棒状介孔碳对酸黑和2种抗生素的去除效果最佳，这是由于长棒状的空间结构更适合酸黑染料的长链结构;而块状介孔碳对3种染料和2种抗生素的去除效果均最差。经3次再生循环使用后，长棒状、短棒状、块状和球状4种不同形貌的介孔碳对亚甲基蓝的吸附率分别从98.95％，97.28％，94.96％和99.37％降低至95.23％，94.18％，91.45％和96.82％;对橘红的吸附率分别从分别从91.49％，90.98％，88.30％和93.75％降低至89.53％，87.37％，85.34％和90.68％。
　　以自制的沥青树脂、蔗糖、糠醇和蒽这4种有机物作为碳前驱体，用模板法制备了介孔碳，考察了对两类有机物的吸附性能，试验结果表明:以糠醇制备的介孔碳对3种染料和2种抗生素具有最佳的吸附效果，这是由于该材料具有最大的比表面积和总孔容;以蒽为碳前驱体制备的介孔碳对这两类有机物的去除效果均最差。4种不同碳前驱体制备的介孔碳经脱附重复使用3次后，吸附能力均降低较少，说明了4种介孔碳均具有极好的重复使用性。
　　在高温条件下，在介孔碳材料表面通入氨气，制备了氨基化介孔碳，并比较了氨基化前后介孔碳对酸黑染料的吸附去除效果，试验结果表明:氨基化后的介孔碳有更好的吸附效果，且随着温度升高或氨气流量增大，氨基化介孔碳对酸黑的吸附性能提高更加显著，这是由于氨基化后介孔碳的比表面积和孔容显著增加、表面疏水性增强，从而提高了对酸黑染料的吸附效果，试验比选得到的氨基化介孔碳的最佳制备条件为:活化温度为900℃、氨气流量60mL/min。
　　利用FeCl3·6H2O作为铁源，通过前浸渍法和后浸渍法制备得到2种磁化介孔碳，并比较了它们对酸黑染料的去除效果，试验结果表明:两种途径得到的磁化后的介孔碳的吸附效果都随着磁性的增加而降低，这是由于随着磁化程度的增加，介孔碳的比表面积和孔容显著减少。相比较而言，通过前浸渍法得到的磁性介孔碳比后浸渍法得到的介孔碳对酸黑染料具有更好的吸附去除效果。通过借助外部磁场，吸附饱和后的磁性材料和染料废水容易得到分离。因此，前浸渍法是一种可供选择的、便于回收利用的磁化介孔碳吸附材料制备方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．1．1 难降解有机物的存在及其危害

1．1．2 染料的存在及其危害

1．1．3 氟喹诺酮类抗生素的存在及其危害

1．2 多孔炭材料

1．2．1 介孔碳材料

1．2．2 介孔碳材料的应用

1．3 研究目的与内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

1．4 材料表征方法

1．4．1 比表面积及孔径表征(ASAP)

1．4．2 X射线衍射测试(XRD)

1．4．3 SEM分析

1．4．4 等电点(PHpzc)测定

1．4．5 TEM分析

1．4．6 FTIR分析

1．4．7 元素分析(EA)

1．4．8 元素分析(XPS)

1．4．9 热重分析(TGA)

1．5 实验方法

1．5．1 吸附热力学

1．5．2 吸附动力学

1．5．3 吸附脱附实验

1．5．4 吸附穿透实验

1．6 数据分析方法

1．6．1 吸附平衡方程

1．6．2 吸附动力学方程

1．6．3 吸附热力学方程

1．6．4 吸附穿透方程

第二章 不同形貌介孔碳的制备及吸附应用研究

2．1 药品试剂及所需仪器设备

2．2 不同形貌介孔碳的制备

2．2．1 长棒状介孔碳的制备

2．2．2 短棒状介孔碳的制备

2．2．3 块状介孔碳的制备

2．2．4 球形状介孔碳的制备

2．3 不同形貌的介孔碳的表征

2．3．1 不同形貌的介孔碳XRD

2．3．2 不同形貌的介孔碳比表面积

2．3．3 不同形貌的介孔碳SEM

2．3．4 不同形貌的介孔碳TEM

2．4 不同形貌介孔碳对难降解有机物的吸附性能

2．4．1 染料的吸附性能研究

2．4．2 抗生素的吸附性能研究

本章小结

第三章 不同碳前驱体有序介孔碳制备及吸附应用研究

3．1 不同碳前驱体介孔碳的制备

3．1．1 以蔗糖为碳前驱体的制备方法

3．1．2 以糠醇为碳前驱体的制备方法

3．1．3 以沥青树脂为碳前驱体的制备方法

3．1．4 以蒽为碳前驱体的制备方法

3．2 不同碳前驱体的介孔碳的表征

3．2．1 介孔氧化硅SBA-15模板XRD

3．2．2 不同碳前驱体的介孔碳XRD

3．2．3 不同碳前驱体的介孔碳比表面积

3．2．4 不同碳前驱体的介孔碳SEM

3．2．5 不同碳前驱体的介孔碳TEM

3．3 不同碳前躯体介孔碳对难降解有机物的吸附性能

3．3．1 染料的吸附性能研究

3．3．2 抗生素的吸附性能研究

本章小结

第四章 氨基化有序介孔碳材料制备及其吸附应用研究

4．1 氨基化碳材料的研究进展

4．2 实验部分

4．2．1 实验药品

4．2．2 介孔碳材料的合成

4．2．3 氨基化介孔碳材料的合成

4．3 氨基化有序介孔碳的表征

4．3．1 比表面积及孔径表征

4．3．2 XRD分析

4．3．3 TEM分析

4．3．4 SEM分析

4．3．5 EA分析

4．3．6 XPS分析

4．3．7 FT-IR分析

4．4 氨基化介孔碳吸附染料分子的吸附性能研究

4．4．1 氨基化介孔碳对酸黑染料的吸附比选实验

4．4．2 氨基化前后介孔碳对酸黑染料的吸附对比实验的研究

本章小结

第五章 磁性有序介孔碳的合成及吸附应用研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 药品试剂

5．2．2 前修饰法合成磁性有序介孔碳

5．2．3 后修饰法合成磁性有序介孔碳

5．3 磁性有序介孔碳材料的表征

5．3．1 XRD分析

5．3．2 N2吸附-脱附分析

5．3．3 SEM分析

5．3．4 TEM分析

5．3．5 磁性分析

5．4 磁性有序介孔碳复合材料的吸附性能

5．4．1 吸附平衡试验

5．4．2 吸附等温线研究

5．4．3 吸附动力学研究

5．4．4 磁性吸附材料的回收

本章小结

第六章 结论和展望

6．1 主要结论

6．2 论文创新

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文

致谢