六方氮化硼系纳米材料对气态污染物的吸附性能研究

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活性多孔氮化硼因具有许多优异性能,如无毒、轻质、抗氧化、耐酸碱、比表面高以及孔体积大等,在污染治理中拥有广阔的应用前景。目前诸多研究集中在氮化硼材料在水溶液中的吸附性能。尽管氮化硼材料具有的疏水性会一定程度限制其在水中与污染物的接触,从而影响吸附的进行,但该材料仍然表现出优异的吸附特性。这自然会令氮化硼材料在不受疏水性影响的空气污染物治理中的表现更加受到期待。本论文采用两步法低温合成了活性多孔氮化硼(p-BN),分别探究了其对有机和无机气态污染物的吸附性能;采用一步合成法制备了复合材料p-BN@Cu,考察了其吸附性能;首次提出并合成了p-BN和有机金属骨架HKUST-1的复合材料,探究了其对挥发性气态污染物的吸附能力。具体研究内容如下:(1)以两步法低温制备了多孔氮化硼,分别通过静态法及动态法研究了多孔氮化硼对空气中气态污染物的吸附行为。系统分析了不同制备温度下p-BN材料的结构特征,并研究其对有机及无机气体吸附能力的影响。其中以900℃制备的p-BN材料吸附性能最佳。(2)在对空气中无机污染物的吸附研究中,使用二硫化碳(CS2)作为样本污染物。在25℃条件下,分别通过静态法和动态法研究了p-BN对混合气体中二硫化碳的吸附特性及其影响因素。在静态法研究中,将p-BN在CS2气氛中静置24小时,其对CS2的吸附量可达65.5 mg/g。优于商业氮化硼片、氮化硼球及活性炭材料。通过600℃退火可完全除去p-BN中吸附的CS2气体并重复利用。经过6次循环后,p-BN仍然保有原吸附量的96%。采用动态法研究p-BN对CS2的吸附特性。Yoon-Nelson模型能够很好的拟合不同情况下的动态穿透曲线。动态吸附中p-BN对CS2的吸附量为57.12 mg/g。(3)以甲苯(C7H8)为例,研究了p-BN对有机气体的吸附特性及其影响因素。p-BN对C7H8的吸附容量较大,通过静态吸附研究及动态吸附研究所测得的p-BN对甲苯的吸附量分别为314.6 mg/g和300.76 mg/g。与CS2气体相同,Yoon-Nelson模型能够很好的拟合不同情况下的动态穿透曲线。p-BN对甲苯的吸附等温线符合Langmuir吸附模型,属于单分子层吸附。(4)采用一步合成法制备了p-BN@Cu复合材料,并探究了其对气态无机污染物的吸附性能。Cu以纳米颗粒的形式负载在p-BN纤维上,然而Cu的复合未能提升p-BN的吸附性能。(5)采用水热法成功制备了p-BN@HKUST-1复合材料。复合材料中多孔氮化硼做为基底,将金属有机骨架HKUST-1合成在p-BN的孔道中。p-BN对HKUST-1起到了保护作用,提升了其稳定性,并且HKUST-1的掺入则提升了整体的吸附性能。在静态吸附及动态吸附研究中,p-BN@HKUST-1复合材料对二硫化碳的吸附量分别高达120.4 mg/g及112.5 mg/g。
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