氮掺杂多孔碳的制备及其吸附性能研究

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据统计,全世界每年约有4.2*1011立方米的污水排入江河湖海,水污染问题已日益受到全球范围内的重视。在众多水污染处理技术中,吸附法因其简便易行、廉价高效的特点而备受关注。本论文主要围绕氮掺杂多孔碳材料对有机染料、重金属离子的吸附性能展开系统研究。具体内容如下:  (1)采用一步热解法,以乙二胺四乙酸为原料,KOH为活化剂,在氮气保护下制备氮掺杂多孔碳材料(N-PCM)。通过红外光谱、XRD、拉曼、热重分析、比表面分析、SEM等分析手段对材料的结构和形貌进行表征。实验结果表明成功制备了一种高比表面积(1322.21m2/g)的氮掺杂多孔碳材料。随后对N-PCM吸附有机染料(柯衣定)和重金属离子(Cu2+)的性能进行了系统研究。实验结果表明,酸性溶液不利于对柯衣定和Cu2+的去除。N-PCM对柯衣定和铜离子的吸附动力学均与pseudo-second-order动力学模型最为吻合,吸附等温线符合Langmuir模型。在298K下,N-PCM对柯衣定和铜离子的吸附可分别在20min、10min内达到动态平衡,经过计算得到的Langmuir饱和吸附量分别高达800.02mg/g,90.09mg/g。热力学实验表明N-PCM吸附柯衣定和Cu2+均为自发过程,升温不利于对柯衣定的吸附,但有利于对Cu2+的吸附。此外,N-PCM的再生实验表明,对于吸附柯衣定,N-PCM具有相当优异的循环吸附能力,相较而言,对于吸附Cu2+,N-PCM的循环吸附效果欠佳。研究表明,N-PCM能高效吸附剂其他三种有机染料(甲基橙、罗丹明B、结晶紫),并且真实水环境中,N-PCM对柯衣定的吸附效率并没有显著下降。以上实验表明,本文制备的N-PCM有望成为处理染料废水和重金属离子废水的高效易得的吸附剂材料。  (2)结合水热碳化法和化学活化法,以葡萄糖、硝酸铵为原料制备了一种高效处理水中有机染料的氮掺杂多孔碳材料。利用红外光谱、拉曼、比表面分析等手段对材料的结构进行表征。通过调整活化剂KOH的用量,成功制备出高比表面积(2642.82m2/g)的氮掺杂多孔碳材料(A-HTC-3)。随后系统研究了材料对有机染料的吸附性能。A-HTC-3对柯衣定的吸附具有宽pH适用性,整个吸附过程可以在1分钟内达到动态平衡,吸附动力学符合pseudo-second-order模型,吸附等温线符合Langmuir模型,在298K下对柯衣定的饱和吸附量高达1661.03mg/g,是相关文献报道的9-200倍。经计算得出吸附热力学相关参数,说明A-HTC-3对柯衣定的吸附是一个自发进行的、放热熵减的过程。再生的A-HTC-3依然可以维持对柯衣定的高效吸附,在7个吸附-脱附循环中对柯衣定的去除效率基本不变。A-HTC-3对其他三种染料,甲基橙、罗丹明B、结晶紫的吸附容量分别高达740.74,1122.52,357.14mg/g。在真实水环境中,A-HTC-3对柯衣定的去除效果与在去离子水中差别很小。以上结果说明本文制备的A-HTC-3是一种优良的有机染料吸附剂,具有光明的工业应用前景。
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