木棉基多孔碳材料的制备、表征及其吸附性能研究

作     者：于伟琦 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐峻;李义良

授予年度：2022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] 0815[工学-水利工程] 

主      题：木棉纤维 多孔碳 氮掺杂 吸附 

摘      要：生物质资源因其来源广泛、产量丰富、可持续等特性在替代化石资源,缓解能源短缺问题上具有无可比拟的优势。然而,生物质种类繁多且众多优质生物质原料未被开发利用,高值化利用率低。其中,木棉纤维因其中空管状结构、壁薄等诸多独特理化性质为制备高比表面积、高性能的分级多孔碳材料提供了理论支撑。将天然木棉纤维转化成多孔碳材料既解决了废弃物堆积问题,同时也对农林废弃物的高附加值利用具有重大意义。基于此,本研究发掘利用天然木棉纤维高中空度的独特结构,辅以碱活化、杂原子掺杂等改性制备手段设计出一系列具备高比表面积、高吸附性能以及高普适性的木棉基多孔碳材料,用于水污染物的吸附处理,为水污染治理提供绿色方案。主要研究工作如下:(1)以天然木棉纤维为生物模板,通过高温预碳化、KOH浸渍活化两步法制备出具备高比表面积、中空管状结构的木棉基分级多孔碳材料(KHPB)。所得一系列多孔碳材料的比表面积及孔径尺寸随KOH/KF质量比(1～4)的增加呈先升后降的规律性变化,当碱碳比为3时,多孔碳材料KHPB-3的比表面积最高达1455 m·g。木棉基分级多孔碳对刚果红、甲基橙、亚甲基蓝和灿烂绿四种染料均表现出优异去除效果,对刚果红饱和吸附量达1983.39 mg/g;亚甲基蓝的吸附量相比于未经活化样品提升23倍。此外,KHPB-3具有快速吸附能力,对初始浓度为400 mg/L的刚果红染料,5 min内去除率可达98%。动态过滤实验显示,KHPB-3作为滤芯对阳离子型二元混合染料(亚甲基蓝MB/灿烂绿BG)连续过滤10次后,其去除率仍接近100%。Langmuir等温式模型、热力学模型和伪二阶动力学模型拟合结果表明,染料吸附过程为化学吸附占主导的单分子层吸附,温度升高有利于反应进行。(2)以木棉纤维为碳源、草酸铵为氮源、碳酸氢钾为活化剂一步研磨法制得木棉基N掺杂多孔碳(KNHPC)。通过调节碳源、氮源和活化剂三者比例,所得多孔碳材料N掺杂含量为2.04～5.36%;比表面积为2214.44～2294.81 m/g,高于未经N掺杂多孔碳(1711.12 m/g);且石墨化程度降低I/I=0.97～1.04,说明N元素的引入可以增加更多活性位点。对金属离子的吸附结果显示,铜离子吸附量可达138.6 mg/g,当初始浓度为50 mg/L时,5 min去除率可达70%。动力学、等温式模型拟合及XPS分析显示,吸附过程为单层化学吸附为主导;N掺杂的吡啶N、吡咯N及石墨N结构增强了活性碳基体与金属离子间π-π供受体作用。(3)以L-半胱氨酸盐酸盐为氮硫源,经高温热解后制得木棉基N,S共掺杂多孔碳材料(KNSC)。所得木棉基双掺杂多孔碳材料的N含量为2.04～5.36%,S含量为2.62～4.10%。随着热解温度的升高,多孔碳的比表面积由1160.43 m/g增至2344.34 m/g;且石墨化程度降低。N,S共掺杂多孔碳材料对2,6-二氯苯酚的吸附速率高达1155.81mg/(g·min),初始浓度为250 mg/L时,5 min吸附量达462 mg/g,去除率94%;初始浓度为500 mg/L时,平衡吸附量可达840 mg/g。Na OH+75%乙醇洗脱效果显著,三次吸附-脱附循环后,去除率仍为84.45%。理化性质与吸附效能分析显示,比表面积、杂原子含量以及碳质石墨化程度三者线性相关性良好,表明苯酚类有机污染物的去除是孔隙填充、疏水作用及π-π供受体作用协同结果。