论文部分内容阅读
碳材料研究进入新型纳米碳时代,碳纳米管、石墨烯和气凝胶,其具有的优良特性赋予了碳质材料在催化、环保、能源等领域的广阔应用前景,在近年来引起了科研工作者的普遍关注。发达孔隙、疏水亲油以及耐火特征,使其在含油废水的吸附处理领域具有良多潜质和应用远景。如何实现碳质吸附剂的可控和宏量制备、实现对性能以及结构的可调,建立碳质吸附剂在吸附过程中的动力学和热力学特性研究,对进一步构建吸附材料和吸附工段相耦合的工艺包设计具有重要意义。本论文通过结合物理化学的基础知识以及材料科学的技术方法,成功实现了碳基吸附材料的制备,并根据本课题所制备复合材料本身的特性和优势,建立了碳基复合材料的改性和表征策略,完成水中油分的高效吸附脱除,具体研究内容如下所示:1.以羧化多壁碳纳米管为基体,纳米硅溶胶粒为增强相,通过一步液相共混的方法制备多壁碳纳米管/二氧化硅纳米复合材料。利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、电子扫描电镜（SEM）、热重（TGA）、孔结构分析（BET/BJH）对其进行了表征。以水中柴油为研究对象,考察了该样品对水中柴油的吸附脱除效果,并与纳米二氧化硅胶粒、原生碳纳米管以及活性炭进行对比。结果表明:硅溶胶粒表面修饰后的多壁碳纳米管的聚团行为得以改善,且材料具有微孔-介孔双孔道结构。对水中直馏柴油的去除率高达97.79%,并于1h达到吸附平衡。整个吸附过程遵循准二级动力学模型,吸附体系的表观活化能Ea=11.37 kJ·mol-1,吸附等温线与Freundlich模型较为吻合,吸附效果明显强于其他三种吸附剂。2.采用溶胶-凝胶法、疏水化处理及常压干燥技术,制备了具有三维网络状结构的整块多壁碳纳米管-二氧化硅气凝胶。利用多壁碳纳米管对纯硅气凝胶进行功能化修饰,接枝在硅气凝胶内部的碳纳米管能有效提高复合气凝胶的机械性能和疏水特性。所制备出的复合气凝胶对柴油油分的饱和吸附量高达24.42g·g-1,分析发现,复合气凝胶的孔道和气凝胶块之间的空隙是对油品的主要吸附位点。通过设计固定床吸附装置,并装填复合气凝胶,发现其可有效吸附处理乳化油。3.以改性Hummers法制备出的氧化石墨（GO）为原料,乙二胺（EDA）为交联剂,通过液相化学交联法制备出以石墨烯为主体的多孔网状气凝胶（EGA）。利用电子扫描电镜（SEM）、电子透射电镜（TEM）及选区电子衍射（SAED）对其进行表征。以水中柴油为研究对象,考察所制EGA样品对水中柴油的吸附脱除效果。结果表明,石墨烯气凝胶对柴油的吸附量在前5min上升迅速,在30min左右达到吸附平衡。吸附过程遵循准二级动力学模型,且吸附速率随温度的升高而增加,体系的表观活化能Ea=23.94 kJ·mol-1。颗粒内扩散模型拟合结果表明,EGA对水中柴油的吸附分为表面孔道吸附、气凝胶内部孔道扩散以及石墨烯片层间小孔道扩散。石墨烯气凝胶对柴油的吸附等温线与Freundlich模型较为吻合。