多孔碳材料的制备及对环境污染物的去除研究

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多孔碳材料可以由廉价的生物材料,如谷壳、贝壳、树叶和棉花等制备,相对于同族的人工碳材料,如石墨烯,碳纳米管等,具有制备方法简便,成本低等优势,在环境污染物的去除中具有广泛应用。经过表面处理的多孔碳材料在保持原本的大比表面积的同时,具备了新的特质,对环境中的有机(甲基橙(MO),亚甲基蓝(MB)等)和无机污染物(重金属离子,砷(AsO3-)和氟(F-))具备良好的吸附性能。这篇论文便是在以上背景下展开的基础研究。  本论文采用利用碱刻蚀法制备多孔碳材料,使得这种材料具有较大的比表面积(~1150m2/g)以及疏松多孔的结构,然后使用酸氧化以或表面沉积的方法对所制备的多孔碳材料进行表面改性。在材料合成之后,采用宏观静态吸附法方法研究多孔碳材料对水溶液中无机污染物(Pb(Ⅱ),Co(Ⅱ),AsO3-和F-)和有机污染物(甲基橙,亚甲基蓝,苯胺,罗丹明B等)的去除效果,最后与微观表征相结合研究多孔碳材料的吸附机理。主要成果如下:  (1)合成的多孔碳(CDPC)及相应酸氧化后的多孔碳(CDPCO)用于对水环境中的染料(MO,MB,RhB和VB)以及重金属离子(Pb(Ⅱ),Co(Ⅱ),Cd(Ⅱ)和Sr(Ⅱ))的去除研究。CDPC对染料的吸附结果表明,染料分子大小与CDPC的孔径相匹配时吸附量达到最大,该吸附与染料的正负电性无关。而CDPCO对染料的吸附除了染料分子与孔径的匹配之外还受正负电荷吸引的影响,对带正电的MB的吸附量远大于相似分子尺寸却带负电的MO。与对染料的吸附不同,对重金属的吸附受吸附剂表面电性的影响很大,因此CDPCO对重金属的吸附优于CDPC。  (2)合成的多孔碳/氧化铝复合物(Al2O3/CSC)用于对水环境中(兴旺村水样)的无机非金属污染物(AsO3-和F-)的吸附研究。结果表明当氧化铝涂层与作为模板的碳材料以2∶1的质量比复合时,对AsO3-和F-具有最好的去除效果,而单纯的氧化铝的吸附和分离效果并不理想。动力学研究表明该吸附可以在2小时达到平衡,进一步的热力学研究表明,2Al2O3/CSC对AsO3-的最大吸附量达96.9 mg/g,对的最大吸附量达101.7 mg/g,该过程为自发的放热过程。
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