一维纳米粘土/炭复合材料的活化制备及其吸附性能的研究

摘要

本文以天然一维粘土矿物海泡石和埃洛石为模板，以生物质原料纤维素和壳聚糖为碳源，通过酸活化、水热、一步炭化活化的方法制备粘土/炭复合材料，探讨了活化条件对粘土/炭复合材料形貌、结构和性能等方面的影响，提出了活化机理，考察了所制备粘土/炭复合材料对水体中有机污染物苯酚和亚甲基蓝及气体污染物一氧化氮的吸附能力。主要内容如下:
　　(1)采用盐酸活化的海泡石为模板，纤维素为碳源，220℃水热条件下制备海泡石/炭复合材料。研究表明海泡石/炭复合材料的表面含有大量直径为30-150nm并富含有机官能团(-CH、C=C、C=O、C-O)的无定形炭。得益于海泡石/炭更小的孔径以及更小的炭颗粒尺寸，海泡石/炭的吸附性能优于海泡石和水热炭混合物的吸附性能。酸活化虽使海泡石的结晶度降低，但可显著提高后续制备的海泡石/炭复合材料的各性能。与以未经酸活化的海泡石为模板制备的复合材料相比，以酸活化的海泡石为模板制备的复合材料中的碳元素含量更高，由24.67 wt.％提升至31.63 wt.％，比表面积由26.53 m2/g提高至33.98 m2/g。相应地，对苯酚的脱除率由47.1％提高至57.1％，饱和吸附量由4.10 mg/g提高至5.26 mg/g。与酸活化的海泡石相比，水热法制各的海泡石/炭的密度和比表面积均有所降低，密度由2.227g/cm3降低至1.696 g/cm3，比表面积由118 m2/g减少至34 m2/g，但得益于海泡石/炭亲有机性的提升，海泡石/炭对苯酚的脱除率(57.1％)明显高于盐酸活化的海泡石的脱除率(6.1％)。
　　(2)采用埃洛石为模板，壳聚糖为碳源，碳酸钾为活化剂，经一步炭化活化制备埃洛石/炭复合材料。研究表明埃洛石/炭复合材料为管状形貌，外表面被厚度为20-40 nm并富含C-H、C=O、N-H、C-N有机官能团的无定形炭层包裹。在活化过程中，碳酸钾及生成的气体消耗炭丰富孔隙结构，同时通过钾蒸气的生成，扩散进入炭层使原有的孔扩宽并形成新的微孔，显著提高了埃洛石/炭的比表面积。在活化温度为800℃，活化时间为90 min，活化剂浸渍质量比为2∶1时，所制备的埃洛石/炭的比表面积可达1509 m2/g。在吸附温度为25℃时，埃洛石/炭复合材料对亚甲基蓝的吸附符合准二级动力学模型和Langmuir吸附模型，埃洛石/炭对亚甲基蓝的饱和吸附量为694.4 mg/g，相较于埃洛石对亚甲基蓝的饱和吸附量提高了近8倍。由25-45℃温度范围内埃洛石/炭吸附亚甲基蓝的热力学参数表明，其对亚甲基蓝的吸附为自发的、吸热的、物理吸附过程。埃洛石/炭对气体污染物NO具有一定的吸附性能，在无氧条件下对NO的平衡吸附量为可达4.83 mg/g，相较于埃洛石对NO的平衡吸附量提高了22倍。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 有机污染物现状与处理

1．2 氮氧化物现状与处理

1．3 粘土的性质与应用

1．3．1 海泡石的性质与应用

1．3．2 埃洛石的性质与应用

1．4 粘土的改性与吸附

1．4．1 海泡石的改性与吸附

1．4．2 埃洛石的改性与吸附

1．5 生物质活性炭的制备与吸附

1．6 粘土／炭复合材料的制备与吸附

1．7．1 研究思路

1．7．2 研究内容

第二章 实验原料、仪器及分析表征

2．1 实验原料与仪器

2．2 分析表征

2．2．1 傅里叶红外光谱分析(FTIR)

2．2．7 质谱分析(MS)

2．2．8 热重分析(TG)

2．3 吸附性能的测定分析

2．3．1 苯酚吸附的测定方法

2．3．2 亚甲基蓝吸附的测定方法

第三章 酸活化海泡石制备海泡石／炭复合材料及其对有机污染物的吸附性能

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 海泡石的酸活化

3．2．2 海泡石／炭的水热制备

3．2．3 吸附性能的测定

3．3．1 分析与表征

3．3．2 海泡石／炭对苯酚和亚甲基蓝的吸附性能

3．4 本章小结

第四章 碳酸钾活化制备埃洛石／炭复合材料

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 埃洛石／炭复合材料的制备

4．2．2 材料表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 活化条件的影响

4．3．2 分析与表征

4．3．3 活化机理研究

4．4 本章小结

第五章 埃洛石／炭复合材料对亚甲基蓝和NO的吸附性能

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 埃洛石／炭对亚甲基蓝吸附性能的测定

5．2．2 埃洛石／炭对NO吸附性能的测定

5．3 结果与讨论

5．3．1 埃洛石／炭对亚甲基蓝的吸附性能

5．3．2 埃洛石／炭对NO的吸附性能

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间的学术活动及成果情况