膨脹石墨基復(fù)合材料的制備、改性及其對水中特定污染物去除的研究.pdf

1、當(dāng)前,重金屬和印染廢水污染的日益嚴(yán)重,對重金屬和印染廢水污染的控制與治理引起了人們廣泛的關(guān)注。對重金屬和印染廢水污染的治理方法中,活性炭吸附法具有較好的去除效率,且活性炭的回收與再生擁有成熟的經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)際應(yīng)用中,粉狀或粒狀活性炭材料的損耗高且重復(fù)利用效率不高等缺點(diǎn),限制著其應(yīng)用。作為一種新型功能性碳素材料,膨脹石墨(EG)具有疏松、多孔、比表面積大、活性高等特點(diǎn)。EG不僅對各種非極性的有機(jī)分子,如油類等具有著良好的吸附性能;在一定條件下

2、,亦對極性分子有一定的吸附效果。為了拓寬EG的應(yīng)用,如高效率去除極性的有機(jī)或無機(jī)物質(zhì),科學(xué)家對EG進(jìn)行了改性,獲得具備特定性能的新型膨脹石墨基復(fù)合材料。在前人研究基礎(chǔ)上,本文提出利用松散態(tài)EG作為基體材料,通過浸漬、炭化、活化等一系列工藝,對其進(jìn)行復(fù)合改性研究,制備幾種新型膨脹石墨基復(fù)合材料(EG/AC),并將EG/AC作為水中特定污染物高效的吸附劑、凈化劑。本文的研究內(nèi)容主要包括:松散態(tài)EG的微波制備與表征;EG/AC的優(yōu)化制備與表征

3、;非均相催化劑復(fù)合材料——Co3O4/EG/AC的制備與表征;通過EG和EG/AC-1對Cr(Ⅵ)的吸附實(shí)驗(yàn),研究材料吸附重金屬離子的特性與機(jī)理;考察EG和EG/AC-2對陽離子染料(亞甲基藍(lán),MB)模擬廢水的脫色能力,研究材料吸附陽離子染料的特性和機(jī)理;基于硫酸根自由基的高級氧化技術(shù)(AOPs)中,對Co304/EG/AC催化PMS氧化劑降解偶氮染料(酸性橙7,A07)進(jìn)行了研究。本文得到的主要研究結(jié)果如下:(1)以商用可膨脹石墨作為

4、原材料,運(yùn)用微波輻射加熱法(MW),快速地制備出松散態(tài)EG材料。利用SEM、EDX、XRD和FT-IR等測試手段測試說明,EG的外觀如蠕蟲狀,許多的石墨鱗片互相粘連、疊合而構(gòu)成EG的內(nèi)部片層結(jié)構(gòu),片層間又有著許多蜂窩狀的微細(xì)孔隙。且EG的孔形多為多邊形或狹縫形及與之相對應(yīng)的楔孔,孔徑大小不均,以大孔和中孔為主。微波法制備的EG和常規(guī)高溫加熱法制備的EG外觀形貌沒有差別。(2)以松散態(tài)EG為基體材料,以新材料的產(chǎn)率及對特定污染物的去除率作

5、響應(yīng)值,采用中心組合設(shè)計(jì)(CCD)一響應(yīng)曲面法(RSM)對新材料的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化研究,建立模型,確定最優(yōu)的制備新型膨脹石墨基復(fù)合材料(EG/AC-1、EG/AC-2)的工藝條件,可為材料的制備應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。①運(yùn)用CCD-RSM建立的EG/AC-1制備模型,得到最優(yōu)制備工藝參數(shù)為:Xp(磷酸與蔗糖溶液的質(zhì)量比)0.93、浸漬液(磷酸與蔗糖溶液)濃度40.53％、炭化溫度413.8℃;最優(yōu)工藝條件下,經(jīng)過3次實(shí)驗(yàn),建立的模型預(yù)測

6、EG/AC-1的產(chǎn)率和對Cr(Ⅵ)的去除率分別為35.74%和83.66%,而實(shí)驗(yàn)結(jié)果材料的產(chǎn)率及對Cr(Ⅵ)的去除率分別為34.93%和83.07%;②運(yùn)用RSM建立的EG/AC-2制備模型,最優(yōu)工藝參數(shù)為:浸漬液(蔗糖溶液)濃度22.63%、化學(xué)浸漬比(涂覆有蔗糖的EG固化材料與ZnCl2的質(zhì)量比)282.62%、炭化溫度639.53℃,模型預(yù)測EG/AC-2的產(chǎn)率和對MB染料的去除率分別為40%和99.98%,而實(shí)驗(yàn)結(jié)果,材料產(chǎn)率

7、和對MB染料的去除率的均值為37.5%和99.43%。EG/AC-1和EG/AC-2的實(shí)際制備產(chǎn)率及對特定污染物的去除率,與模型的預(yù)測值誤差均在10%以內(nèi),說明該模型可以較好地預(yù)測EG/AC的實(shí)際產(chǎn)率和對特定污染物的去除率。(3)EG經(jīng)復(fù)合改性后,EG/AC-1對Cr(Ⅵ)的吸附量顯著提高,遠(yuǎn)大于EG(2.5652mg·g-1),達(dá)到75.7576mg·g-1,是一種高效的Cr(Ⅵ)吸附劑、凈化劑。EG/AC-1對Cr(Ⅵ)的吸附量隨著

8、pH值的升高而降低,pH2.0時(shí)達(dá)到最大;EG則隨pH值的升高而先增后降,pH3.0時(shí)其吸附量達(dá)到最大。利用5種吸附動力學(xué)模型分析表明EG和EG/AC-1吸附Cr(Ⅵ)的過程用符合偽二級動力學(xué)模型。EG和EG/AC-1對Cr(Ⅵ)的等溫吸附過程,Langmuir模型呈現(xiàn)出最好的擬合度。通過熱力學(xué)計(jì)算可知,EG對Cr(Ⅵ)的吸附過程是非自發(fā)進(jìn)行的放熱反應(yīng),而EG/AC-1吸附Cr(Ⅵ)的過程為自發(fā)進(jìn)行的吸熱反應(yīng)。(4)研究了EG和EG/A

9、C-2吸附陽離子染料(亞甲基藍(lán),MB)的特性及機(jī)理。結(jié)果發(fā)現(xiàn),EG/AC-2是高效的MB染料吸附劑,其最大吸附量達(dá)到367.65mg·g-’,優(yōu)于EG的吸附效果(67.8887mg·g-1)。EG和EG/AC-2對MB染料的吸附量與染料濃度、溶液pH值有關(guān),且各因素間相互影響。多種動力學(xué)模型擬合研究表明,EG和EG/AC-2吸附MB染料的過程符合偽二級動力學(xué)模型。EG和EG/AC-2對MB染料的等溫吸附過程,Langmuir模型的擬合度

10、(R2＞0.99)最好。經(jīng)吸附熱力學(xué)分析可知,EG和EG/AC-2對MB染料的吸附均是自發(fā)進(jìn)行的吸熱反應(yīng),且主要為物理吸附過程。(5)以制備的EG/AC作為納米Co3O4的載體,應(yīng)用溶劑熱還原法,制得非均相催化劑復(fù)合材料——Co3O4/EG/AC。用Co3O4/EG/AC催化PMS對A07進(jìn)行降解研究,結(jié)果表明:當(dāng)PMS的用量均為2mM,Co3O4/EG/AC的投加量均為0.05g·L-’,在染料溶液的pH值調(diào)至中性時(shí),常溫下,Co3O