超疏水高强SDB催化剂载体的制备及性能研究

发布时间：2020-06-09 11:01

【摘要】：氚废水处理是我国核电发展的瓶颈,铂/苯乙烯-二乙烯基苯共聚物(Pt/SDB)液相催化交换除氚是各国竞相重点发展的氚废水处理技术。但目前使用的SDB还存在疏水能力不足、强度低、Pt分散性差等缺点,制备超疏水(静态疏水角≥150°)、高强(抗压强度≥100 N)、高比表面积(300~800 m~2/g)的SDB是当前改性合成的主要目标。鉴于此,本文拟开展SDB的基础制备及合成影响因素研究、纳米粒子杂化和碳材料的增强改性合成研究,以期大幅提高SDB载体的疏水性与抗压强度,并采用镍离子模拟贵金属铂离子的固液界面吸附,探究载体与金属粒子之间的吸附机制,为SDB负载Pt提供理论支持。二元共聚SDB的制备及聚合工艺研究:以苯乙烯(St)、二乙烯基苯(DVB)为共聚单体,在过氧化苯甲酰(BPO)的引发下,悬浮聚合合成SDB,并研究分散剂、交联剂、升温速率等实验条件的影响,优化的SDB制备条件为:DVB用量与St单体用量比为1:1,引发剂BPO用量为0.3 g,复合分散剂PVA与CE的最佳使用量分别为3.5 g和0.5 g;制得的SDB载体的性能测试结果表明:SDB的静态水接触角为132.81°(优于课题组前期的130.01°),具有良好的疏水性;抗压强度达到32.07 N(优于课题组前期的27.13 N),具有一定的力学强度;比表面积为408.78 m~2/g,但与超疏水、高强的研究目标尚有较大差距。无机纳米氧化物改性SDB合成研究:在SDB聚合过程中,分别掺加KH570改性SiO_2(K-SiO_2)、硬脂酸改性CeO_2(Y-CeO_2),制备无机纳米粒子杂化改性的K-SiO_2/SDB、Y-CeO_2/SDB载体,优化K-SiO_2的改性条件为:甲苯为溶剂,KH570用量为SiO_2的5%,110℃下反应2 h;优化Y-CeO_2的改性条件为:乙醇为溶剂,硬脂酸用量为CeO_2的6%,80℃下反应1.5 h;K-SiO_2/SDB中K-SiO_2的优化反应投入量为:St:DVB:K-SiO_2=10:10:1(质量比);Y-CeO_2/SDB中Y-CeO_2的优化反应投入量为:St:DVB:Y-CeO_2=10:10:0.8(质量比)。所得结果表明:成功制备K-SiO_2/SDB、Y-CeO_2/SDB两种载体,疏水性分别达到141.22°和149.78°,接近超疏水;抗压强度分别高达113.54 N、107.11 N,抗压强度已较为理想;K-SiO_2/SDB比表面积为的435.56 m~2/g,高于Y-CeO_2/SDB的421.34 m~2/g,均较SDB有很大提升。碳材料改性SDB研究:在SDB聚合过程中,掺杂KH570改性的纳米石墨粉(MGC),制备了石墨碳改性SDB(MGC/SDB)载体,另以蔗糖为碳源,高温下实现SDB载体的涂碳改性,制备SDB/C载体,设置对照组,得到MS/SDB载体。优化MGC的制备条件为:乙醇为溶剂,KH570用量为纳米石墨粉的10%,30℃下反应2 h;MGC/SDB中MGC的优化反应投入量为:DVB:St:MGC=10:10:0.8(质量比);优化SDB/C的制备条件为:蔗糖:SDB=1:1(质量比),反应温度320℃,升温1 h、保温2 h。所得结果表明:成功制备MGC/SDB、MS/SDB、SDB/C三种载体;SDB/C具有最优的疏水性为152.47°,MGC/SDB、MS/SDB的疏水性则分别为146.51°、136.70°,均高于SDB;MS/SDB抗压能力最强,达145.60 N,MGC/SDB和SDB/C的抗压值分别为105.72 N、81.19 N,均具有强抗压能力;SDB/C的比表面积为59.63 m~2/g,而MGC/SDB和MS/SDB的比表面积分别为413.14 m~2/g和379.67 m~2/g。采用镍离子模拟铂离子进行载体吸附特征的研究:通过SDB、K-SiO_2/SDB、Y-CeO_2/SDB、MGC/SDB、MS/SDB、SDB/C多种载体进行Ni~(2+)吸附性能模拟测试,结果表明:MGC/SDB、MS/SDB、SDB/C载体对镍离子的吸附率大于SDB的吸附率(0.1300%),且MGC/SDB的吸附率最大,达到0.3165%,而K-SiO_2/SDB、Y-CeO_2/SDB的吸附率略低,分别为0.1015%和0.0620%;SDB、Y-CeO_2/SDB、MGC/SDB载体的吸附动力学表明,吸附反应约在2.5 h后达到平衡;MGC/SDB的平均吸附量最大,而SDB最低,且载体投入质量增加,单位质量吸附量减小;Y-CeO_2/SDB、MGC/SDB载体的吸附过程符合拉格朗日伪二级动力学方程,吸附过程主要是化学吸附,SDB载体的吸附过程采用伪一级/二级动力学拟合结果相近,存在吸附能力相当的扩散型物理吸附和化学吸附;MGC/SDB、Y-CeO_2/SDB、SDB载体对镍离子的吸附过程中,?H~00,说明吸附过程需吸热;?G~00,且随温度升高而降低,说明反应在实验温度下为非自发,升温有助于反应自发进行;?S~00,表明载体在吸附的动态过程中,体系有序性降低。本文有关纳米无机氧化物杂化改性研究、碳材料改性增强研究,明显改善了SDB载体的疏水性和抗压性能;通过相关载体对镍离子的吸附研究,采用动力学方程与热力学方程描述了载体与镍离子之间的吸附特征,本项研究工作有助于深入分析Pt与固载的界面吸附机制。
【图文】：

图 1-1 液相催化交换（LPCE）反应示意图Fig. 1-1 Schematic diagram of liquid phase catalytic exchange (LPCE)气液固三相并存的复杂传质过程。以氢-氚（T）反应为例，态水（HTO）在活性成分表面发生复杂的 H-T 三相同位素示，反应详细步骤如下[18]：液相转换 HTOlHOvHTOvHOl22 的扩散与吸附反应交换 HTOvHgHTgHOv22 脱附与反扩散反应程式为：

TO(v)+D2(g) D2O(v)+DT(g)DO(v)+D2(g) D2O(v)+HD(g)HDO(l)+D2(g) D2O(v)+HD(g)DTO(l)+D2(g) D2O(v)+DT(g)亲水型 疏水型 氚的稀释 氚的稀释 同时升级和除氚，但不能行逆流交换，高温加热和凝过程较复杂，催化剂易中毒可同时升级和除氚，气液两相逆流反应，能耗低，安全性高；但需要的气体量大含氚重水提氚含氚重水提氚或处理、重水生产进行离不开催化剂。早期研制的常规催化剂以 Pt-高温，且有水存在或潮湿气氛下，，H2O 分子会进生“水中毒”而迅速失活[19-20]，因而对使用催化水催化剂催化的氢-氚同位素交换反应如图 1-2 所
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ426.65;X771

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本文编号：2704593