生物质基纳米多孔炭对阴离子染料吸附性能的研究

作     者：于慧静 

作者单位：浙江师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：代伟

授予年度：2016年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：生物质 多孔炭 竞争吸附 阴离子染料 镍修饰 

摘      要：生物质基纳米孔炭由于具有高比表面积、高孔隙率、水热稳定性好及可再生等优点,使其在印染废水净化领域引起人们的极大关注。然而,目前对于相似结构和性质的染料分子在多孔炭材料表面的竞争吸附研究报道相对较少。本论文内容包括：1.以佛手、桔子、柚子和橙子四种芸香科植物类果皮为原料,氢氧化钾为活化剂,相同反应条件下,化学法制备了四种生物质基多孔炭。氮气吸附测试表明四种多孔炭的比表面积分别是1866、2289、1359和1105 m2/g。同时考察了结构相似且分子量不同的金橙Ⅱ(OⅡ.)和酸性铬蓝K(ACBK)两种阴离子偶氮染料分子在四种多孔炭表面的吸附平衡等温线和吸附动力学。结果表明,四种多孔炭对两种染料分子的吸附容量顺序为：桔子炭(Oil:930 mg/g, ACBK:592mg/g)佛手炭(Oil:835 mg/g, ACBK:555 mg/g)柚子炭(Oil:645 mg/g, ACBK:446 mg/g)橙子炭(OⅡ:547 mg/g, ACBK:315 mg/g);分子量较小的金橙Ⅱ比酸性铬蓝K在佛手、桔子、柚子和橙子四种炭材料上的吸附容量分别高出36.3%、33.5%、30.9%和42.4%;Langmuir方程可以较好的描述四种炭的吸附平衡等温线,吸附动力学符合准二级动力学模型。2.以白玉兰落叶为原料,采取KOH活化法制备了白玉兰叶基超级多孔炭材料。运用对白玉兰叶和对应的炭材料进行了表征。同时考察了在双组分体系中,其对甲基橙(MO)和金橙Ⅱ(OⅡ)两种阴离子染料的静态吸附行为,包括吸附剂用量、染料初始浓度、接触时间、pH值等对吸附性能的影响。结果表明,白玉兰叶基多孔炭的比表面积可达2834 m2/g,平均孔径和孔容分别为2.23 nm和1.58 cm3/g,属于微孔材料。在单组分体系中,白玉兰叶基多孔炭对甲基橙和金橙Ⅱ的最大吸附容量分别为868 mg/g和1487 mg/g;在双组分体系中,由于竞争吸附作用,两种染料分子的吸附容量明显下降,分别为447(MO)和951 mg/g (Oil),降低了48.5%和36.0%。 Langmuir模型较好的描述两种体系下的吸附等温线;吸附动力学符合准二级动力学模型。3.为进一步提高吸附容量和选择性,本文采用浸渍法,将镍元素修饰在白玉兰叶多孔炭孔道内,运用氮气吸附、扫描电镜、透射电镜、扫描电镜能谱和X射线能谱等技术对样品进行表征测试,同时考察了其对吸附阴离子染料刚果红的性能。结果表明,修饰前后,样品比表面积从2834 m2/g,降低到2367 m2/g,孔容和平均孔径从1.58 cm3/g,2.23 nm增加到了1.91 cm3/g和3.32 nm。 TEM、 EDS和XPS进一步证明了镍元素存在于炭材料的孔道内。由于金属阳离子与阴离子染料分子的化学作用,极大的提高了吸附容量,最大平衡吸附容量为1780 mg/g。本论文的工作表明,即使相似植物科目原料在相同工艺条件下制备的生物质炭材料在结构和对染料的吸附性能差异较大;染料分子量、π-π共轭、炭材料表面性质等因素的综合作用是影响吸附容量和选择性的关键因素;在多孔炭孔道内修饰金属阳离子,提高了多孔炭对阴离子染料的吸附容量。