炭氣凝膠對(duì)溶液中有機(jī)物吸附特性的研究.pdf

1、本論文圍繞炭氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)性質(zhì)對(duì)吸附的作用展開(kāi)，首先控制炭氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)，選擇三種不同尺寸大小的吸附質(zhì)，研究炭氣凝膠的孔徑分布與吸附的關(guān)系，接著以CO2活化的方法對(duì)炭氣凝膠進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，重點(diǎn)探討微孔在吸附中所起的作用。其次，探討炭氣凝膠的表面化學(xué)基團(tuán)對(duì)吸附的影響，最后對(duì)炭氣凝膠進(jìn)行表面氧化改性，進(jìn)一步研究炭氣凝膠表面化學(xué)性質(zhì)與吸附的關(guān)系。主要內(nèi)容和結(jié)論如下： 1.炭氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)及其與吸附性能的關(guān)系通過(guò)控制反應(yīng)物與催化

2、劑的比例制備出四種炭氣凝膠，N2吸附表征表明這四種炭氣凝膠比表面積相似而孔徑分布不同。以三種不同尺寸大小的有機(jī)物(苯酚、茶堿和牛血清白蛋白)為吸附質(zhì)。探討孔結(jié)構(gòu)對(duì)不同尺寸大小的吸附質(zhì)的吸附性能，包括吸附等溫線和吸附動(dòng)力學(xué)等。并與市售活性碳進(jìn)行結(jié)構(gòu)和吸附性能的對(duì)比。結(jié)果顯示，苯酚吸附主要發(fā)生在微孔中，中孔和大孔的比例不會(huì)影響苯酚的吸附容量，但是處于炭氣凝膠的炭顆粒內(nèi)部的微孔的吸附利用率較低，會(huì)導(dǎo)致微孔吸附量下降。炭氣凝膠比活性炭具有更高的

3、微孔吸附量和吸附速率。炭氣凝膠對(duì)茶堿的吸附除了微孔的作用外，中孔也起到吸附作用。隨著中孔比表面積的增大，吸附容量也增大。以炭顆粒堆疊形成的中孔對(duì)茶堿的吸附速率大于炭顆粒表面的中孔的吸附速率。較小的中孔會(huì)影響對(duì)茶堿分子的傳輸，導(dǎo)致吸附速率下降。牛血清白蛋白在炭氣凝膠上的吸附，大孔起主要作用，且大孔的孔徑不能過(guò)大，孔徑大于牛血清白蛋白分子尺寸的中孔對(duì)吸附也起到作用，但是利用率不高。苯酚、茶堿和牛血清白蛋白在炭氣凝膠上的吸附等溫線都符合Lan

4、gmuir方程。 　　2.炭氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)改造及其對(duì)吸附性能的影響以CO2活化的方法對(duì)炭氣凝膠進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造。N2吸附表征表明活化過(guò)程在炭氣凝膠中引入了大量的微孔，并且活化改性并沒(méi)有改變炭氣凝膠的基本結(jié)構(gòu)，SBET、Smic、Vmes和Vmic都隨活化時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。但是隨著活化程度的加深，炭氣凝膠顆粒內(nèi)部閉合的孔被打開(kāi)，相互聯(lián)通，使得微孔孔容擴(kuò)大，由于微孔較深導(dǎo)致活化炭氣凝膠的微孔利用率低于炭氣凝膠的微孔利用率。苯酚、碘、亞甲基蘭和

5、維生素B12在活化炭氣凝膠上的吸附容量都隨微孔孔容的增加呈線性增大，但是增大的比例與分子尺寸大小有關(guān)，分子尺寸小的分子增大的比例較大，對(duì)于較大的分子，微孔的增多提高了吸附力，但不是微孔填充作用，因此吸附容量增大的比例較小。 3.炭氣凝膠的表面化學(xué)性質(zhì)與吸附性能的關(guān)系通過(guò)控制炭化溫度制備出一系列不同表面化學(xué)性質(zhì)的炭氣凝膠。以紅外分析、Boehm滴定法、XPS分析和元素分析來(lái)表征氣凝膠表面的化學(xué)性質(zhì)，結(jié)果顯示，AG-125表面具有羧

6、基、內(nèi)酯基和酚羥基等含氧基團(tuán)，酸性基團(tuán)含量達(dá)4mmol/g以上，隨著炭化溫度的升高氣凝膠表面的酸性基團(tuán)逐漸減少，炭化溫度在600℃以上，羧基和內(nèi)酯基含量幾乎為零。靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于四種陽(yáng)離子染料，有機(jī)氣凝膠的單位面積吸附量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于炭氣凝膠的單位面積吸附量。含有酸性基團(tuán)的氣凝膠負(fù)電荷表面與溶解于水中的陽(yáng)離子染料的靜電吸引力是造成有機(jī)氣凝膠高單位面積吸附量的主要原因。pH值導(dǎo)致了炭氣凝膠表面的電荷變化，在堿性越強(qiáng)的條件下，炭氣凝膠表面

7、的負(fù)電荷越多，增大了對(duì)陽(yáng)離子染料的吸引，從而提高了吸附容量。但是表面基團(tuán)含量很少的情況下依然是孔吸附起主要作用，并且微孔的增加對(duì)于吸附亞甲基蘭和吖啶橙有效，但對(duì)羅丹明B和結(jié)晶紫作用不大。動(dòng)力學(xué)研究表明四種染料的吸附都符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。茶堿在有機(jī)氣凝膠上的吸附有氫鍵作用，在600℃以上的炭氣凝膠上的吸附以孔吸附為主。溶劑對(duì)茶堿吸附的影響表明，隨著甲醇和乙醇含量的增加，AG-125和CA-125-900對(duì)茶堿的吸附容量逐漸減小，其原因是

8、茶堿與甲醇和乙醇在氣凝膠表面進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)吸附。pH值對(duì)茶堿吸附的影響表明高pH值(＞8.79)條件下由于茶堿溶液中存在離解平衡，而離子化過(guò)程可以提高茶堿的溶解性，因此導(dǎo)致吸附容量降低。 4.炭氣凝膠的表面氧化改性及其對(duì)吸附性能的影響用三種氧化方法(包括HNO3氧化、H2O2氧化和空氣氧化)對(duì)兩種不同表面化學(xué)性質(zhì)的炭氣凝膠(CA-125-500和CA-125-900)表面進(jìn)行氧化改性。通過(guò)Boehm滴定法、XPS分析和元素分析測(cè)定表面基團(tuán)含量

9、，結(jié)果表明，氧化處理后的樣品主要增加的是羧基和酚羥基，其中HNO3氧化增加的酸性基團(tuán)數(shù)量最多，H2O2氧化和空氣氧化增加的酸性基團(tuán)數(shù)量較少，并且CA-125-500比CA-125-900更容易氧化。N2吸附表征表明，三種氧化方法對(duì)于和CA-125-500和CA-125-900的孔結(jié)構(gòu)影響很小。通過(guò)對(duì)比兩種炭氣凝膠氧化前后和氧化炭氣凝膠熱處理前后的樣品對(duì)四種堿性染料的吸附性能可知，對(duì)于CA-125-500，經(jīng)過(guò)HNO3氧化的樣品對(duì)四種染料