生物质基碳材料的制备及应用研究

发布时间：2016-11-02 17:21

  本文关键词：生物质基碳材料的制备及性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

《吉林大学》 2014年

生物质基碳材料的制备及应用研究

赵凯  

【摘要】：地球上的能源可以被储存、转换或以不同的方式被利用。能源资源可以分为两种：1.不可再生资源（例如煤炭、原油、油页岩、天然沥青、超重油和天然气等）；2.可再生资源（太阳能、风能、潮汐能和生物能等）。随着全球工业的迅速发展，大量的煤炭、石油等不可再生资源不断被消耗，造成资源的短缺，随之而来的就是大量的CO2、SO2等有害气体的排放，引发“温室效应”，造成环境污染。因此我们必须寻找一种新的能源来减少或者替代不可再生资源的消耗。 生物质是一种真正的可再生资源，由动植物资源组成，如农业、林业、工业以及生活废弃物等。生物质的利用是一个模仿自然的过程，相对于化石燃料来说它不会增加环境中二氧化碳的含量。在所有的可再生能源中，生物质是独特的，它有效的储存了太阳能。此外，生物质是唯一可以转化为固态、液态和气态燃料的可再生资源，可以代替化石资源制备一系列化工产品，备受世界科研工作者的青睐。 基于上述研究背景，本论文从以下几方面进行研究： （1）以木糖为代表的五碳糖和果糖、葡萄糖为代表的六碳糖为原料，硫酸作为催化剂，在较低的温度下经过脱水缩合制备胶体炭。在上述原料的基础上引入苯酚，以相同的反应条件制备胶体炭。计算两种方法得到胶体炭的产率和碳元素的转化率，结果表明苯酚的引入可以提高胶体炭的产率和碳元素的转化率。木糖基胶体炭、果糖基胶体炭和葡萄糖基胶体炭的产率分别提高了5.85%、12.75%、17.58%，碳元素的转化率分别提高了11.06%、21.37%、27.57%。此方法还可以延伸到复杂生物质（稻壳、玉米芯等）的利用上，实现资源的高值化利用。 通过XRD、TEM和FTIR的分析发现，单糖基胶体炭是表面光滑、粒径均匀的碳球，而且表面带有大量的有机官能团（C=C、O-H、C=O、C-H和C-O），并有一定的石墨化趋势。本文在上述基础上研究了胶体炭的合成机理。 （2）以胶体炭为原料，磷酸为活化剂，采用选择性反应和定向刻蚀造孔技术制备多孔炭。探讨反应温度、反应时间、浸渍比对多孔炭微观结构以及表面性能的影响，并确定最佳活化条件。木糖基多孔炭的最高比表面积为2160m2/g，果糖基多孔炭的最高比表面积为2180m2/g，葡萄糖基多孔炭的最高比表面积为2300m2/g，木糖加苯酚基多孔炭的最高比表面积为1325m2/g。 多孔炭具有良好的电容性能，讨论活化条件对多孔炭电容的影响，并确定木糖基多孔炭、果糖基多孔炭、葡萄糖基多孔炭和木糖加苯酚基多孔炭的最大比电容分别为182.0F/g、157.6F/g、148.0F/g、158.1F/g。 多孔炭对Cr（Ⅵ）有很强的吸附能力，研究吸附条件（时间、温度、初始浓度、吸附剂用量、pH值）对多孔炭吸附能力的影响，并确定木糖基多孔炭、果糖基多孔炭、葡萄糖基多孔炭和木糖加苯酚基多孔炭的最大吸附量分别为89mg/g、87mg/g、82mg/g、140mg/g。 用磷酸作为活化剂具有很高的产率，高产率有利于实现工业化生产。木糖基多孔炭的最高产率为89.0%，果糖基多孔炭的最高产率为66.6%，葡萄糖基多孔炭的最高产率为68.9%，木糖加苯酚基多孔炭的最高产率为76.7%。 （3）以废弃稻壳（去除木质素和二氧化硅）为原料，经过环氧氯丙烷、DMF、二乙烯三胺、三乙胺的改性制备高吸附性能的碳材料，研究吸附条件（时间、温度、初始浓度、吸附剂用量、pH值）对改性稻壳吸附性能的影响，并确定吸附Cr（Ⅵ）的最佳条件：初始浓度为400mg/L，投加量为0.06g，吸附时间为12h，较低的pH和较高的反应温度有利于吸附量的提升。改性稻壳对Cr（Ⅵ）的最大吸附量为120mg/g。 本论文通过具体的实验以及物理化学表征方法，研究了以单糖为原料制备胶体炭的性能、微观结构以及合成机理。胶体炭的制备过程中引入苯酚，可以提高胶体炭的产率和碳元素的转化率。以胶体炭为原料制备高性能的多孔炭材料具有很好的电化学性能和吸附性能。废弃稻壳经过化学改性制备高吸附性能的碳材料，可以应用在污水处理方面。生物质的综合利用可以实现二氧化碳的负增长，创造巨大的经济价值，为环境保护奠定基础。

【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

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