纤维素碳气凝胶复合材料的制备及其吸附分离研究

• 作 者: 刘煜
• 出 处: 江苏科技大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 油水分离 新型吸附剂 碳气凝胶 纤维素 吸附分离

纤维素是地球上储量最丰富的有机生物质,生物相容性、生物可降解性、高比强度和模量。纤维素碳气凝胶轻质多孔多功能性,泡孔结构可调,不仅可作为一种可持续发展的纳米材料和载体,而且制备工艺简单成本低,绿色环保,市场应用前景广阔,如隔音、隔热、催化、导电、耐火等应用领域,在吸附分离、药物缓释、组织工程、导电材料、电容器及储能、抗电磁屏蔽干涉等方面受到广泛应用。本论文以剑麻纤维素为原料,研究了纤维素碳气凝胶的制备及功能化方法,优化了应用于油水分离、新能源重要材料硒和锂等金属的分离提取的吸附工艺。具体研究内容如下:（1）剑麻纤维素碳气凝胶的制备及其油水分离性能研究以剑麻叶作为原料,通过碱处理和漂白作用提取剑麻叶中的纤维素,经冷冻干燥技术构建剑麻纤维素气凝胶,然后碳化获得剑麻纤维素碳气凝胶（CAs）。对CAs为吸附剂,进行疏水性、油水分离吸附性能、、化学稳定性测试和循环使用性能的研究,结果表明CAs的吸附容量为90-188 g·g^-1,化学稳定性良好且具有优异的循环使用性能,可高效解决石油和有机试剂泄漏导致的水污染。（2）纳米Cu O负载的碳气凝胶复合材料的制备及其油水分离性能研究以剑麻叶作为原材料提取纤维素,在纤维素表面经乙酸铜溶液和水合肼氧化还原反应修饰纳米铜颗粒,得到纳米铜修饰的纤维素复合材料,然后通过氧化、碳化和冷冻干燥制得纳米Cu O负载的碳气凝胶复合材料（Cu O@CAs）。随着纳米Cu O的修饰,Cu O@CAs的表面粗糙度得到提高,其超疏水性能也得到了改善,水接触角高达158°±2°。研究结果表明,Cu O@CAs具有优异的化学稳定性,对油的过滤回收率高达92.3%,并具有一定的破乳能力。（3）LDHs修饰的碳气凝胶复合材料的制备及其提硒性能研究以剑麻叶为原料提取纤维素,经冷冻干燥、碳化等操作制得碳气凝胶。以铝溶胶为前驱体对碳气凝胶表面进行包覆,然后通过原位生长技术在碳气凝胶表面修饰镁铝层状双氢氧化物（LDHs）,煅烧后得到产物LDHs@CAs。研究了p H,硒浓度,吸附时间,竞争离子和吸附剂量对LDHs@CAs吸附性能的影响。结果表明,硒在酸性条件下更容易吸附在LDHs@CAs上,硒在LDHs@CAs上的最大吸附容量高达73.6 mg·g^-1。此外,硒离子在LDHs@CAs上的吸附主要集中在前100 min。因此,具有优异吸附性能的LDHs@CAs在稀有元素硒的回收中具有良好的应用前景。（4）三钛酸钠晶须修饰的碳气凝胶复合材料的制备及其提锂性能研究以剑麻叶为原料提取纤维素,然后经过冷冻干燥、碳化制得碳气凝胶。制备钛溶胶包覆碳气凝胶的表面,并通过原位生长制得最终产物三钛酸钠修饰的碳气凝胶（Na₂Ti₃O₇@CAs）。结果表明,Na₂Ti₃O₇@CAs具有丰富的孔径和较大的比表面积,其对锂离子的最大吸附容量可达40.35 mg·g^-1。吸附饱和的Na₂Ti₃O₇@CAs可通过0.5mol·L^-1的HCl溶液有效再生,并重新用于锂离子吸附分离。