论文部分内容阅读
随着纳米科技的迅速发展，碳纳米材料(CNMs)，例如氧化石墨烯(GO)、碳纳米管(CNT)、纳米金刚石(NDs)、介孔碳等正日益成为最受欢迎的纳米材料。其中，CNT由于其优异的光学、化学、电学、力学、热学、和生物学等性能而得到了广泛的应用。除此之外，由于CNT具有较高的比表面和独特的多孔结构，则被认为是去除废水中污染物的潜在吸附剂。然而，原始的CNT的分散性极差，且缺乏官能团，这在很大程度上限制了它在吸附方面的应用。因此，对CNT进行表面功能化修饰对于提高其吸附性能具有重要意义。本研究以原始CNT为基底材料，通过狄尔斯-阿尔德(DA)反应及贻贝仿生化学对其初步改性，同时结合多组分反应，制备了一系列含有丰富官能团的CNT复合材料；并研究了这些CNT复合材料对Cu2+或Eu3+的吸附。本研究的内容主要可分为材料制备及吸附实验两个部分：
1.CNT的表面功能化
(a)利用贻贝仿生化学对CNT进行初步修饰，使其表面形成一种聚多巴胺(PDA)涂层，得到CNT@PDA；然后CNT@PDA与聚乙烯亚胺(PEI)以及多聚甲醛发生Mannich多组分反应制备得到对Cu2+具有更好吸附性能的CNT@PDA@PEI。
(b)利用狄尔斯-阿尔德(DA)反应对CNT进行初步表面功能化，在其表面引入小分子糠胺(FFA)得到CNT-FFA。再用CNT-FFA和氨基封端的聚丙烯酸(PAA)、亚磷酸二乙酯以及戊二醛发生Kabachnik–Fields(KF)反应，生成表面含有大量羧基的CNT-FFA-PAA以提高其对Eu3+的吸附性能。
(c)通过DA反应在CNT表面引入小分子糠醛(FFL)，然后得到醛基修饰的CNT。其和对苯二胺、亚磷酸二乙酯以及氧化海藻酸钠(OSA)通过KF多组分反应制备具有优异吸附性能的CNT复合材料(CNT-FFL-OSA)。因此，实现OSA的表面功能化，在CNT表面引入更多活性位点，进一步提高其吸附容量。
随后，通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、热重分析(TGA)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)及X-射线光电子能谱(XPS)对所制备的CNT@PDA@PEI、CNT-FFA-PAA及CNT-FFL-OSA复合材料进行研究分析，从而进一步证实材料的成功制备。
2.表面改性的CNT对水中污染物的去除
以制备的CNT@PDA@PEI、CNT-FFA-PAA及CNT-FFL-OSA复合材料为吸附剂,以水中的Cu2+或Eu3+为污染物模型，研究了制备的CNT复合材料的吸附性能。为了能够更深层次的了解其吸附机制，进一步研究了接触时间、温度、初始浓度及溶液的pH对其吸附容量的影响。同时，也研究分析了相应的动力学曲线、热力学曲线及吸附等温线。结果表明，通过本工作提出的相应策略所制备的CNT复合材料的吸附容量明显增强。其中，CNT@PDA@PEI复合材料对Cu2+的吸附容量由原始CNT的16.7mg·g-1增至28.8mg·g-1。而CNT-FFA-PAA及CNT-FFL-OSA复合材料对Eu3+的吸附容量分别为130.8mg·g-1，103.4mg·g-1，相对于原始的CNT而言，其吸附容量得到了极大的提高。
1.CNT的表面功能化
(a)利用贻贝仿生化学对CNT进行初步修饰，使其表面形成一种聚多巴胺(PDA)涂层，得到CNT@PDA；然后CNT@PDA与聚乙烯亚胺(PEI)以及多聚甲醛发生Mannich多组分反应制备得到对Cu2+具有更好吸附性能的CNT@PDA@PEI。
(b)利用狄尔斯-阿尔德(DA)反应对CNT进行初步表面功能化，在其表面引入小分子糠胺(FFA)得到CNT-FFA。再用CNT-FFA和氨基封端的聚丙烯酸(PAA)、亚磷酸二乙酯以及戊二醛发生Kabachnik–Fields(KF)反应，生成表面含有大量羧基的CNT-FFA-PAA以提高其对Eu3+的吸附性能。
(c)通过DA反应在CNT表面引入小分子糠醛(FFL)，然后得到醛基修饰的CNT。其和对苯二胺、亚磷酸二乙酯以及氧化海藻酸钠(OSA)通过KF多组分反应制备具有优异吸附性能的CNT复合材料(CNT-FFL-OSA)。因此，实现OSA的表面功能化，在CNT表面引入更多活性位点，进一步提高其吸附容量。
随后，通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、热重分析(TGA)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)及X-射线光电子能谱(XPS)对所制备的CNT@PDA@PEI、CNT-FFA-PAA及CNT-FFL-OSA复合材料进行研究分析，从而进一步证实材料的成功制备。
2.表面改性的CNT对水中污染物的去除
以制备的CNT@PDA@PEI、CNT-FFA-PAA及CNT-FFL-OSA复合材料为吸附剂,以水中的Cu2+或Eu3+为污染物模型，研究了制备的CNT复合材料的吸附性能。为了能够更深层次的了解其吸附机制，进一步研究了接触时间、温度、初始浓度及溶液的pH对其吸附容量的影响。同时，也研究分析了相应的动力学曲线、热力学曲线及吸附等温线。结果表明，通过本工作提出的相应策略所制备的CNT复合材料的吸附容量明显增强。其中，CNT@PDA@PEI复合材料对Cu2+的吸附容量由原始CNT的16.7mg·g-1增至28.8mg·g-1。而CNT-FFA-PAA及CNT-FFL-OSA复合材料对Eu3+的吸附容量分别为130.8mg·g-1，103.4mg·g-1，相对于原始的CNT而言，其吸附容量得到了极大的提高。