沥青基活性炭纤维的制备及其吸附和抗菌性能研究

作     者：王致明 

作者单位：武汉科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丛野

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

主      题：沥青基活性炭纤维 银负载 吸附性能 抗菌性能 

摘      要：作为一种纤维状的新型活性炭材料,活性炭纤维具有比表面积大、孔隙发达、吸附速率快、吸附容量大等优点,在污水处理、储能、贵金属回收等领域受到广泛关注。同时,活性炭纤维作为一种优良的抗菌材料载体,可以有效促进抗菌材料(如银、Ti O等)的分散,抑制其颗粒聚集和生长,因此有利于提高其抗菌性能。本论文以煤系沥青为原料,通过熔融喷纺及后续的预氧化、低温炭化和KOH活化过程,制备了沥青基活性炭纤维。通过改变活化条件对沥青基活性炭纤维的比表面积和孔结构进行调控,系统研究了沥青基活性炭纤维的微观结构对碘、亚甲基蓝和镉离子(Cd)的吸附性能的影响,并进一步阐述了吸附动力学特征和吸附机理。然后,以所制备的活性炭纤维作为载体,分别采用热分解法和还原剂还原法制备了载银活性炭纤维,并探究了其抗菌性能。主要研究结果如下:(1)以各向同性沥青基炭纤维(CFs)为原料,采用KOH活化法成功制备出具有高比表面积、良好吸附性能的微孔为主型活性炭纤维材料(ACFs)。实验结果表明,提高活化温度、活化时间和碱炭比(KOH/CFs质量比)能有效提高沥青基活性炭纤维的比表面积、孔体积和吸附性能,但同时会导致活性炭纤维收率降低。KOH/CFs质量比为4/1、950℃活化1 h所制备的ACFs对重金属Cd具有最高效的吸附性能,其在浓度为50 mg L的Cd溶液中的最大吸附量为42.72 mg g,去除率达85.4%。ACFs对Cd的吸附动力学特征符合准二级动力学方程,表明Cd与活性炭纤维之间存在电子对共享、表面络合和离子交换等相互作用。实验数据与Langmuir吸附模型具有良好的匹配性,相关系数(R)为0.9921。(2)采用热分解法和还原剂(Na BH)还原法在活性炭纤维表面负载了银纳米颗粒,制备了载银活性炭纤维(Ag/ACFs),对其形貌、结构、化学组成、孔结构等进行了表征,并测试了其抑菌性能。结果表明,采用热分解法和还原剂还原法制备的Ag/ACFs,表面均匀负载了零价的银纳米颗粒,其表面银纳米颗粒直径分别为～15 nm和～7 nm。N吸/脱附结果表明,Ag/ACFs表面分散的银纳米颗粒会堵塞纤维表面的部分孔道,导致比表面积略有下降,但仍能保留2100 mg的比表面积。对热分解法和还原剂还原法制备的Ag/ACFs进行了抑菌率和抑菌动力学测试,两种方法所制备的Ag/ACFs在样品浓度分别为20 mg m L、15mg m L时,对大肠杆菌的抑菌率均可以达到100%,且在长时间培养过程中能完全抑制大肠杆菌的生长。还原剂还原法抑菌效果更好的原因是其表面负载的银纳米颗粒的尺寸更小,对细菌有更有效的杀伤能力。