纳米铜催化活性炭的制备及其对四环素和亚甲基蓝吸附性能的研究

摘要

鉴于纳米材料的优点以及过渡金属可以催化热解有机化合物的性质，本文将金属纳米材料和多孔炭制备技术结合，以梧桐叶为制炭前驱体，利用磷酸活化法，分别采用传统升温加热法和微波快速升温法，研究了将纳米铜和二价铜引入活化阶段使其催化活化梧桐叶制备活性炭的可行性。实验中，采用传统升温法制得的梧桐叶原炭，纳米铜催化炭和二价铜掺杂炭分别记作CHAC，CHAC-Cu和CHAC-Cu(Ⅱ);微波法制得的三种炭则分别记作AC，AC-Cu和AC-Cu(Ⅱ)。通过对所制备活性炭的表征，及其对四环素和亚甲基蓝的去除效果及其影响因素的考察，本论文主要研究内容和结论如下:
　　(1)分别采用热重分析(TGA)、扫描电镜(SEM)、BET比表面积和孔径分布分析、傅里叶红外吸收光谱(FTIR)对这些活性炭样品进行表征，并分析纳米铜和二价铜的加入对活性炭的物化性质的影响。热重分析结果显示，纳米铜和二价铜的引入加快了原材料的热分解。CHAC，CHAC-Cu，CHAC-Cu(Ⅱ)的比表面积分别为816.751，836.539和831.674m2/g; AC，AC-Cu和AC-Cu(Ⅱ)的比表面积分别为1043.967，822.627and1118.900m2/g。FTIR结果表明，AC-Cu拥有最多的表面官能团，整体上微波加热炭比传统加热炭含有更多的表面官能团。
　　(2)探究了CHAC，CHAC-Cu和CHAC-Cu(Ⅱ)对四环素的吸附性能。发现其受溶液初始pH的影响较大，三种炭均在pH=7时达到最大平衡吸附量。通过对吸附动力学研究可知，伪二级动力学模型更适合描述CHAC，CHAC-Cu和CHAC-Cu(Ⅱ)这三种活性炭对四环素的吸附特性。通过对吸附等温线的研究可知，CHAC，CHAC-Cu和CHAC-Cu(Ⅱ)对四环素的吸附过程均为有利吸附，其最大吸附量分别为:856.45，1388.05和1190.78mg/g。纳米铜及二价铜的引入改变了活性炭对四环素的吸附机制，使其由单分子层吸附向多分子层吸附转化;同时大大增加了活性炭的接触位点和表面官能团数量，大幅度的增加了活性炭对四环素的最大吸附量。
　　(3)以亚甲基蓝为吸附质研究了AC，AC-Cu和AC-Cu(Ⅱ)的吸附性能。AC对亚甲基蓝的吸附量随离子强度的增大而先降低后增加，符合Langmuir等温方程;而AC-Cu和AC-Cu(Ⅱ)的吸附则不受离子强度影响，遵循Freundlich等温模型。AC，AC-Cu和AC-Cu(Ⅱ)对亚甲基蓝的吸附均为有利吸附，其最大吸附量分别为:596.08、744.11和677.48mg/g。
　　(4)纳米铜催化机理主要是包括以下几方面:(a)纳米铜颗粒具有较大的比表面积，会吸附梧桐叶高温分解的气体产物;(b)纳米铜晶体中铜原子在能级离散化和电子不饱和的情况下，表现出强烈的电子接受倾向，具有极强的活性，降低了反应活化能，促进了有机化合物的热解;(c)由于铜元素优越的传热性，纳米铜颗粒和前驱体的接触位点在加热过程中将成为局部热点，有利于热量的迅速传导，从而促进了热分解过程;(d)由于金属颗粒较强的的物理硬度，在搅拌、浸渍和加热等物理化学过程中，纳米铜颗粒对原材料产生了的刮擦，并被嵌入原材料内部，使其成为活化剂磷酸进入原材料内部的通道，有利于活化剂的快速进入与深入渗透;(e)纳米铜的引入还大大增加了活性炭表面的活性吸附位点和表面官能团，这些官能团在活性炭的制备过程中逐渐生成，同时也可以与分解产物发生反应，因而也促进了分解反应的进行。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 引言

1．1．2 抗生素污染及处理现状

1．1．3 染料污染及处理现状

1．2 活性炭研究现状

1．2．1 活性炭概述

1．2．2 活性炭的制备

1．2．3 活性炭性能优化

1．3 纳米金属材料简介

1．4 法国梧桐简介及其枯叶废物处理利用现状

1．5 研究目的、内容与创新点

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

1．5．3 研究创新点

第2章 活性炭的制备和表征

2．1 主要原料、试剂与仪器

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验试剂与仪器

2．2 活性炭的制备

2．2．1 传统升温加热法制备活性炭

2．2．2 微波快速升温法制备活性炭

2．3 活性炭的表征方法

2．4 活性炭表征结果及分析

2．4．1 热重分析

2．4．2 表面形态

2．4．3 比表面积和孔径分布

2．4．4 傅里叶红外光谱分析(FTIR)

2．5 本章小结

第3章 传统升温法所得活性炭对四环素的吸附性能研究

3．1 实验部分

3．1．1 实验试剂与仪器

3．1．2 实验内容

3．2 分析方法

3．2．1 四环素浓度、吸附量及去除率的确定

3．2．2 吸附动力学研究

3．2．3 吸附等温线研究

3．3 结果与讨论

3．3．1 接触时间对吸附的影响

3．3．2 活性炭投加量对吸附的影响

3．3．3 溶液初始pH对吸附的影响

3．3．4 吸附动力学研究

3．3．5 吸附等温线研究

3．4 本章小结

第4章 微波快速升温法所得活性炭对亚甲基蓝的吸附性能研究

4．1 实验部分

4．1．1 实验材料与试剂

4．1．2 实验仪器

4．1．3 实验内容

4．2 分析方法

4．2．1 亚甲基蓝浓度、吸附量及去除率的确定

4．2．2 吸附等温线的研究

4．2．3 吸附热力学研究

4．3 结果与讨论

4．3．1 接触时间对吸附的影响

4．3．2 投加量的影响

4．3．3 离子强度的影响

4．3．4 吸附等温线

4．3．5 热力学研究

4．4 本章小结

第5章 纳米铜催化机理分析

5．1 纳米铜催化性能简介

5．2 纳米铜催化机理分析

第6章 结论与建议

6．1 结论

6．1．1 活性炭表征结论

6．1．2 吸附实验结论

6．1．3 纳米铜催化机理

6．2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表成果目录