磷化铁/竹基掺磷生物炭的制备及其吸附La（Ⅲ）性能研究

作     者：刘艳艳 

作者单位：福建农林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：林冠烽

授予年度：2023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：植酸 磷化铁 竹基生物炭 稀土 电容去离子 

摘      要：过渡金属磷化物/多孔炭复合材料具有良好的导电性,化学稳定性、高比电容、高光热转换效率和循环稳定性,在储能、催化、生物医疗等领域极具开发和应用前景。利用储量丰富且拥有天然结构的生物质资源和高生物相容性的试剂制备多用途过渡金属磷化物/多孔炭复合材料,符合可持续发展战略需求,是解决资源和环境问题的重要途径。基于此,本文采用原位一步热解的合成策略,以竹屑为碳源,植酸为磷源,氯化铁为铁源,构建磷化铁/竹基掺磷生物炭(FeP/PBC),考察其作为常规吸附剂和电容去离子电极对稀土元素镧La(Ⅲ)的去除性能,并对FeP/PBC的微观形貌、孔结构特征、晶相结构、化学元素组成、化学键键合状态和电化学性能等进行表征,揭示其吸附机理,以期为过渡金属磷化物/碳基复合材料的绿色安全制备及其高附加值利用提供理论支撑。主要研究内容如下:(1)以竹屑为原料,植酸为磷源、三氯化铁为铁源,采用原位一步热解法制备FeP/PBC。结果表明,植酸可以作为造孔助剂和掺杂改性剂实现竹基生物炭基底的活化与磷掺杂,同时植酸可以与Fe螯合,进而在高温热解时转化为FeP。随着热处理温度和植酸比例的增加,FeP/PBC的比表面积、总孔容积和碘吸附值呈正相关的趋势。在较佳工艺条件下,热处理温度800℃,竹屑、植酸与氯化铁的质量比为1:3:0.02时,FeP/PBC的比表面积为909 m g,微孔和中孔孔容分别为0.374 cm g和0.175 cm g。电化学分析结果表明,当电流密度为1 A g时,FeP/PBC-800的比电容可达160 F g。(2)以FeP/PBC为吸附剂,用于稀土元素镧La(Ⅲ)的常规吸附。结果表明,随着热处理温度和植酸比例的增加,FeP/PBC-对La(Ⅲ)的吸附量呈先上升后下降的趋势,热处理温度为800℃,竹屑、植酸与氯化铁的质量比为1:3:0.02的条件下,FeP/PBC-800的吸附量高达64.82 mg g,相较于竹基生物炭和磷掺杂竹基生物炭分别提高了45.8%和26%。FeP/PBC中引入FeP活性吸附位点,其与溶液中La(Ⅲ)发生化学吸附形成La-O-Fe。同时,FeP/PBC-800表现出良好的吸附选择性,其在La(Ⅲ)/Na(I)和La(Ⅲ)/Ca(II)体系中的吸附选择率分别达到82.07%和61.71%。(3)以FeP/PBC作为电容去离子的电极材料,用于稀土元素镧La(Ⅲ)的电吸附。结果表明,在工作电压为1.2V条件下,FeP/PBC-800的电吸附量为91.92 mg g,相较于铁掺杂竹基生物炭、竹基生物炭和磷掺杂竹基生物炭分别提高了62.51%、54.46%和24.67%。同时FeP/PBC-800表现出优异的吸附选择性,其在La(Ⅲ)/Na(I)和La(Ⅲ)/Ca(II)体系中,吸附选择率分别达到92.25%和87.64%。经过5次吸附-脱附后,FeP/PBC-800的吸附量和保持率分别为45.35 mg g和49.33%。FeP和磷掺杂竹基生物炭的复合增强了双电层吸附,并引入法拉第吸附位点FeP。在外加电场驱动下,La(Ⅲ)进入FeP/PBC-800孔隙中通过静电力作用形成双电层,并与电极发生表面吸附、插层作用和氧化还原反应。