氧化石墨烯辅助合成多级孔分子筛及其性能研究

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微孔ZSM-5分子筛为典型的硅铝酸盐结构,因其内部孔道尺寸小于1 nm而制约了其在水处理领域的广泛应用。为解决这一问题,扩大微孔ZSM-5分子筛的孔径成为研究热点。采用模板剂法,通过水热一步合成法,能够成功制备微介孔ZSM-5分子筛。氧化石墨烯因其表面含有大量含氧官能团,同时在碱性环境和一定温度条件下,部分氧化石墨烯发生脱水脱氧,几片氧化石墨烯皱缩后形成团块,因此能够作为合成分子筛的介孔模板剂,并进一步形成规则的微介孔结构,促进多级孔分子筛在吸附、催化等领域的应用。本论文以氧化石墨烯为模板剂,在水热条件下一步合成多级孔ZSM-5分子筛,研究了氧化石墨烯投加量、硅铝比、水热晶化时间、水热晶化温度以及不同方法提纯得到的硅源对水热合成多级孔ZSM-5分子筛的影响。通过XRD、SEM、N2吸附-脱附对不同条件下制备的多级孔ZSM-5分子筛结构和形貌进行了分析。实验结果表明,使用的硅源为碱酸处理水热提纯方法得到的硅源、结构导向剂为四丙基氢氧化铵、介孔模板剂为氧化石墨烯,在晶化时间为12 h、晶化温度为180℃、硅铝比为100:1的条件下合成的分子筛晶体大小统一、形状规则、具有最高的结晶度、相对较高的比表面积(300 m~2/g),同时含有微孔、介孔和大孔,平均孔径4.8 nm。为探究分子筛的最佳吸附条件,分别以亚甲基蓝和孔雀石绿为吸附质进行吸附模拟实验。结果表明:多级孔分子筛对浓度为20 mg/L的亚甲基蓝溶液最佳吸附条件是投加量为0.1 g,溶液pH为9,温度为303.15K,此时多级孔分子筛的吸附效率为95.02%;多级孔分子筛对浓度为10 mg/L的孔雀石绿溶液最佳吸附条件是投加量为0.1 g,溶液pH为6,温度为303.15K,此时多级孔分子筛的吸附效率为90.04%。通过吸附等温和吸附动力学模型对多级孔分子筛的吸附机理进行了探究,结果表明:多级孔分子筛对亚甲基蓝的吸附符合Langmuir模型,吸附热力学参数(?)G为-0.36~-0.88 k J/mol、(?)S为25.94 J/(mol·K)、(?)H为7.25 k J/mol,吸附动力学更符合拟二级动力学方程;多级孔分子筛对孔雀石绿的吸附符合Freundich模型,吸附热力学参数(?)G为-3.335~-6.593 k J/mol、(?)S为162.788 J/(mol·K)、(?)H为44.36 k J/mol,吸附动力学更符合拟二级动力学方程;说明多级孔分子筛对亚甲基蓝和孔雀石绿的吸附过程均为吸热过程,在吸附过程中物理和化学吸附同时存在,颗粒内扩散方程拟合曲线均不过原点,说明内扩散过程并非唯一的速率控制步骤。多级孔分子筛对亚甲基蓝进行吸附再生实验,用离心机将吸附饱和后的多级孔分子筛与溶液分离,抽滤烘干后,重复吸附6次,去除率均能达到90%以上,说明其可再生重复利用,具有经济环保的特点。图45幅,表8个,参考文献107篇。
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