粉煤灰空心微珠@碳纳米管的制备及其对Pb(Ⅱ)的吸附性能研究

作     者：贺波 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张晓民

授予年度：2019年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0702[理学-物理学] 

主      题：粉煤灰空心微珠 碳纳米管 竹节状 Pb(Ⅱ) 吸附性能 

摘      要：碳纳米管独特的管状结构、高的比表面积,使其具有良好的吸附性能。然而,由于碳纳米管在水溶液中的团聚,使其在废水处理中的应用受到限制。此外,吸附后从溶液中回收游离碳纳米管仍然是一大难题。因此,通常采用在载体材料表面生长碳纳米管来解决这一问题。本论文采用化学气相沉积法(CVD)研究碳纳米管在粉煤灰空心微珠表面的生长,获得具有高密度缺陷的碳纳米管(粉煤灰空心微珠@碳纳米管)。首先,对粉煤灰空心微珠理化性能展开研究;其次,研究了制备参数对粉煤灰空心微珠@碳纳米管微观结构的影响,探讨其生长机制;最后,通过Pb(Ⅱ)在粉煤灰空心微珠@碳纳米管上的吸附,研究粉煤灰空心微珠@碳纳米管的吸附性能。本论文的主要研究结果如下:(1)粉煤灰空心微珠具有独特的球形结构及硅铝酸盐玻璃相表面。粉煤灰空心微珠O、Si、Al、Na、Mg、K、Ca、Ti、Fe元素,其中O、Si、Al约占总重量的95wt%。粉煤灰空心微珠中Fe元素含量在0.52～2.09wt%范围内变化,表层及体相元素Fe元素含量一致。XRD及XPS分析表明,硅铝酸盐玻璃相包裹莫来石、矽线石、方石英等晶体相形成空心微珠的整体结构,Fe以非晶态氧化物的形式存在于硅铝酸盐玻璃相中。(2)粉煤灰空心微珠表面生长碳纳米管过程中,制备参数影响碳纳米管的微观结构。温度由710℃增加至770℃,粉煤灰表面碳产物由碳纤维转变为碳纳米管且管径变小,其Raman光谱中I/I由1.91增加至2.34,表明其无序结构增加。生长时间由5 min增加至60 min时,粉煤灰空心微珠表面碳纳米管的生长密度增加且管径变粗,同时碳纳米管表面沉积的无定型碳增加;乙烯流速由60 sccm增加至150 sccm时,粉煤灰空心微珠表面碳纳米管生长密度增大,乙烯流速为150 sccm时,粉煤灰空心微珠表面出现碳纤维。在生长温度为750℃,生长时间为30 min,乙烯流速为120 sccm时,粉煤灰空心微珠表面均匀一层碳纳米管覆盖。SEM分析表明,粉煤灰空心微珠表面生长的碳纳米管直径为20～50 nm,呈三维网络结构;TEM分析表明,粉煤灰空性微珠表面生长的碳纳米管具有封闭的隔室结构且具有多层管壁,管壁厚度约为6 nm,类属于竹节状多壁碳纳米管。Raman光谱中的I/I值为2.04,表明粉煤灰空心微珠@碳纳米管具有高度缺陷;FT-IR、XPS分析表明,生长过程中碳纳米管表面引入羟基、羧基及内脂基等亲水性含氧官能团。(3)粉煤灰空心微珠@碳纳米管对Pb(Ⅱ)的吸附显示高的吸附容量。在25℃,p H为7,铅离子浓度100 mg/L时吸附容量为34.69 mg/g;换算为竹节状碳纳米管对Pb(Ⅱ)吸附容量约为275.19 mg/g。p H由3增加至11时,粉煤灰空心微珠@碳纳米管表面电位由8.1827 m V负向增加至-36.7174 m V,使其对Pb(Ⅱ)具有良好的吸附作用。吸附等温线拟合符合Freundlich方程,吸附动力学拟合符合准二级动力学方程;长程吸附后,存在颗粒内扩散模型为Pb(Ⅱ)在粉煤灰空心微珠@碳纳米管上吸附的主要速控步骤。吸附热力学研究表明吸附过程为自发的吸热反应,且该过程可逆,吸附驱动力强。粉煤灰空心微珠@碳纳米管对Pb(Ⅱ)的吸附机制为其表面的羧基、羟基及内脂基官能团与Pb(Ⅱ)之间的静电引力。