真空浸渍制备膨胀石墨基炭/炭复合材料及其含酚废水处理性能研究

摘要

近年来,随着焦化、造纸、石油等行业的发展,苯酚及其衍生物大量进入工业废水,含酚废水成为最常见、最具代表性的有机废水之一。苯酚的高毒性给生物体和人类健康带来了严重威胁,目前被列为优先控制污染物,因此含酚废水排放前必须进行合理的处理。
　　 目前主要采用活性炭吸附法来处理含苯酚废水,但是传统的活性炭多为粉状或粒状,其孔结构中含有大量的盲孔和封闭孔,并存在矿物灰分,严重影响了其吸附容量；另外在循环使用中其摩擦损耗较高。
　　 膨胀石墨是一种疏松多孔的蠕虫状颗粒,其独特的孔隙结构使其对大分子物质具有良好的吸附能力。然而膨胀石墨密度低、机械性能差的缺陷给实际使用带来一定困难。如能充分利用膨胀石墨丰富的孔隙结构,以此为基础制备具有一定强度及较高吸附能力的多孔材料,具有重要的实践意义。
　　 本文以膨胀石墨为基体,蔗糖为炭源,氢氧化钾为活化剂,将炭源与活化剂真空浸渍到膨胀石墨基体中,制得膨胀石墨基炭／炭复合材料。考察了不同碱炭比、活化时间和活化温度对材料表面性能、孔结构及其苯酚吸附性能的影响。结果表明,当碱炭比为4、活化时间60min、活化温度800℃时,膨胀石墨基炭／炭复合材料的比表面积可达2042m2／g,且孔隙结构发达,具有极强的吸附能力。
　　 对于上述膨胀石墨基炭／炭复合材料,采用比表面积和孔隙分布测定仪,在77K下测定其吸脱附等温线,通过BET方程计算其比表面积、孔容和孔径分布；并采用SEM、XRD等手段对其形貌特征和微晶结构进行了表征。结果表明,该复合材料保留了膨胀石墨基体发达的孔隙结构和空间形貌,真空浸渍缩短了炭源浸渍时间并实现了炭源充分、均匀引入。膨胀石墨基炭／炭复合材料由基体的石墨晶体结构和由蔗糖活化后形成的无定形活性炭组成,活性炭以纳米薄膜的形式均匀涂覆在膨胀石墨基体表面及内部孔结构的孔壁上。膨胀石墨基炭／炭复合材料丰富的纳米级微孔结构主要存在于活性炭组分中且孔径分布较为集中,基体中则主要为通透的微米级大孔结构,实现了微米级大孔和纳米级微孔的双级孔复合,这样的孔结构特征决定了材料作为小分子有机污染物吸附剂使用时,既有很强的针对吸附能力同时又具有良好的通透性能。
　　 采用静态吸附法、Boehm滴定和FT-IR研究所得复合材料的吸附性能和表面化学性质,数据显示,减少酸性官能团的含量或者在材料表面植入碱性的含氮官能团可以大幅提高材料对苯酚的吸附能力,采用简单尿素改性处理可以使其苯酚吸附量提高到346.9 mg／g。
　　 采用XPS和FT-IR对磷酸活化试样和改性前后试样的表面官能团进行标定,发现与磷酸活化试样相比,碱活化所得复合材料的表面酸性官能团明显减少,且经过尿素改性后,试样表面引入大量碱性官能团吡咯,其结构上的N含有孤对电子,具有较强的碱性,对弱酸性的苯酚有着较强的吸附亲和力。
　　 本文考察了膨胀石墨基炭／炭复合材料针对含苯酚废水的静态和动态吸附性能,结果表明,复合材料对苯酚的静态平衡吸附量最大可达297.2mg／g,较同工艺制备的纯活性炭提升15.8％。在动态吸附实验中,考察了苯酚废水浓度、流速和固定床层高度对复合材料动态吸附性能的影响,并与颗粒活性炭的动态吸附性能作了对比。数据显示,颗粒活性炭的动态吸附容量仅为85.5mg／g,而复合材料的动态吸附容量可达192.1mg／g,具有良好的工业应用前景。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 含酚废水的来源及危害

1.1.1 含酚废水的来源

1.1.2 含酚废水的危害

1.1.3 含酚废水的处理方法

1.2 膨胀石墨基炭/炭复合材料的研究进展

1.3 影响膨胀石墨基炭/炭复合材料吸附能力的因素

1.3.1 膨胀石墨基炭/炭复合材料的孔隙结构和比表面积

1.3.2 膨胀石墨基炭/炭复合材料的表面化学性质

1.4 本课题研究的意义及内容

第二章 膨胀石墨基炭/炭复合材料的制备及表征

2.1 实验

2.1.1 实验原理

2.1.2 实验方法

2.1.3 工艺路线

2.1.4 材料表征

2.2 结果与讨论

2.2.1 活化工艺参数对复合材料微观结构的影响

2.2.2 膨胀石墨基炭/炭复合材料微观结构分析

2.3 本章小结

第三章 膨胀石墨基炭/炭复合材料的表面改性及表征

3.1 实验部分

3.1.1 主要试剂及仪器

3.1.2 样品制备

3.1.3 样品表征

3.1.4 苯酚吸附实验

3.2 结果与分析

3.2.1 复合材料表面化学性质测定

3.2.2 尿素溶液浓度的确定

3.2.3 改性前后材料表面性能研究

3.3 结论

第四章 膨胀石墨基炭/炭复合材料对苯酚的吸附性能

4.1 试验部分

4.1.1 主要试剂及仪器

4.1.2 吸附等温线的测定

4.1.3 试验方法

4.2 复合材料对苯酚的静态吸附性能

4.2.1 温度对吸附量的影响

4.2.2 pH值对吸附量的影响

4.2.3 吸附等温线

4.2.4 吸附等温方程

4.2.5 室温下苯酚吸附等温线的拟合

4.2.6 复合材料与颗粒活性炭的静态吸附性能对比

4.3 复合材料对苯酚的动态吸附性能

4.3.1 床层高度对复合材料吸附性能的影响

4.3.2 不同流速对复合材料吸附性能的影响

4.3.3 初始浓度对复合材料吸附性能的影响

4.3.4 复合材料与颗粒活性炭的动态吸附性能对比

4.3.5 吸附机理分析

4.4 本章小结

第五章 结束语

5.1 结论

5.2 不足之处和改进建议

参考文献

致谢

研究生期间发表的论文