多孔金属氧化物负载中空膜木质素转化性能研究

发布时间：2020-04-22 20:25

【摘要】：随着社会的发展,能源危机已经成为人类面临的重大挑战。开发利用绿色可持续发展的能源已经迫在眉睫。木质素生物质作为绿色能源的一部分,逐渐引起人们的关注,并作为化工原料得到开发和利用。对木质素生物质的降解技术的开发已然成为学者们研究的重点。本论文试图从Fenton氧化技术方面对木质素的氧化降解进行研究,重点对金属负载的介孔材料和膜材料在非均相Fenton氧化降解木质素过程中的性能和稳定性的研究。本论文具体研究内容如下:1.以SBA-15为模板使用硬模板法制备了介孔Fe-Cu复合氧化物催化剂,XRD、SEM、TEM和N2吸附-脱附表征结果表明催化剂保持了与模板类似的规则排列的立体孔道结构,具有大的孔体积与比表面积。铁铜元素都为变价金属元素,铁铜在反应期间可以发生氧化还原等协同作用,加速铁离子的循环,使得非均相Fenton反应可以连续快速地进行。通过对木质素的降解实验发现,介孔Fe-Cu复合氧化物催化剂在非均相Fenton降解木质素的过程中表现出良好的催化性能和稳定性。测试的最佳条件为木质素浓度50 mg.L-1,催化剂浓度1.0 g.L-1,H2O2 360 mg.L-1,pH=3,反应温度 70℃。2.使用螯合剂共组装方法制备出铁负载介孔碳材料Fe/Meso-c前驱体,再使用层叠涂抹法将Fe/Meso-c前驱体材料均匀分散的涂抹于中空氧化铝陶瓷管载体上成功制备出改性的Fe/Meso-c@CM陶瓷膜。通过XRD,SEM,TEM表征对制备的金属负载的介孔碳前驱体材料进行了表征,结果证明金属颗粒成功的负载到了介孔碳的孔道中,并且保持了介孔碳的孔道排列和结构。通过对改性后的陶瓷膜的SEM表征可以看出,前驱体材料成功的负载到了陶瓷管载体表面和内部孔道,在载体表面形成了一层致密光滑的活性层,且金属颗粒浸入到了陶瓷管载体孔道内部。进一步制备了不同金属负载的介孔碳材料,并对比了其对木质素的降解性能。以Fe/Meso-c@CM陶瓷膜为研究对象,在非均相Fenton降解木质素过程中,累计使用540 min后,对木质素的降解依旧可以达到70%左右,且载体表现出良好的重复使用性能。测试的最佳条件为pH=5,Fe:H2O2=1:20,金属负载0.2g,跨膜压差0.02Mpa,木质素的浓度50mg·L-1。
【图文】：

孔径分布,吸附脱附,孔径分布,等温线

逦Ｒｅｌａｔｉｖｅ邋Ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋（邋Ｐ／Ｐ？）逡逑图２－４邋ｍｅｓｏ－Ｆｅ－Ｃｕ（Ａ）和ＳＢＡ－１５邋（Ｂ）的阶吸附脱附等温线和孔径分布图逡逑如图２－４所不，采用Ｎ２吸附－脱附法研究了制备的ｍｅｓｏ－Ｆｅ－Ｃｕ催化剂的结构逡逑性质。从图Ａ可以看出ｍｅｓｏ－Ｆｅ－Ｃｕ催化剂具有典型的ＩＶ型和Ｈ３的迟滞回线介逡逑孔吸附等温线。催化剂的相对压力范围从０．５到０．９５，压力跨度相对较宽，表明逡逑合成催化剂具有大的孔隙率模板ＳＢＡ－１５的ＢＥＴ比表面积和孔径分别是逡逑８５８邋ｍ２＿ｇ＿ｉ和８．３邋ｎｍ。通过硬模板法将金属纳米物种嵌入ＳＢＡ－１５孔道中制得的逡逑ｍｅｓｏ－Ｆｅ－Ｃｕ催化剂比表面积和孔径减少到８９邋ｍ＾ｇ－１和４．３邋ｎｍ，这也表明制备的逡逑双金属材料进入了模板ＳＢＡ－１５的孔道，成功复制了邋ＳＢＡ－１５的结构？。如图Ａ逡逑内插图所示，ｍｅｓｏ－Ｆｅ－Ｃｕ催化剂孔径分布狭窄，表明催化剂的孔径分布依旧均逡逑匀，这与ＸＲＤ表征分析结果一致［７７］。这种孔道的保留有利于木质素扩散到催化逡逑剂中

红外光谱图,红外光谱,第二次,吸收峰

图２－５纯的ＳＢＡ－１５，邋ｍｅｓｏ－Ｆｅ－Ｃｕ和循坏使用第一次与第二次的ｍｅｓｏ－Ｆｅ－Ｃｕ红外光谱逡逑图逡逑材料的红外光谱如图２－５所示，所有的材料在３５００－３３００邋ｃｎｆ范围内都有较逡逑宽的吸收峰，这主要是由于材料表面的ＳｉＯ－Ｈ基团的伸缩振动或吸附在逡逑材料表面的水分子氢键的伸缩振动［ＴＯ＿邋８１１。１６３０邋ｃｎｒ１处的强烈的吸收峰是由于吸逡逑附在材料表面的水分子中０－Ｈ的弯曲振动。在１０００－１２５０邋ｃｍ－ｉ区域也观察到硅的逡逑特征吸收峰，这是ｕＳｉ－０－Ｓｉ键的伸缩振动产生的，并在８００邋ｃｍ－１和４８０邋ｃｍ－１处，逡逑对应５Ｓｉ－０－Ｓｉ键的弯曲振动ｔｅＳ３］。与纯ＳＢＡ－１５相比，所制备的ｍｅｓｏ－Ｆｅ－Ｃｕ的特逡逑征峰往低波长端移动且相应的吸收峰变宽，这可能是由于大量”金属纳米粒子改变逡逑了催化剂内部结构和表面形态，因此晶粒平均直径减小，吸收峰变宽。以上结果逡逑也可以通过之前的表征，如ＸＲＤ、ＴＥＭ分析证明。与新制备的催化剂相比，再逡逑生催化剂具有相似的特征峰且峰强度发生了变化，也表明了催化剂有较好的重复逡逑使用性。逡逑２．４催化剂应用于木质素的降解研究逡逑２．４．１木质素降解方案逡逑木质素降解实验是将碱木质素溶解在去离子水配成５０邋ｍｇ邋Ｕ的木质素水溶逡逑液
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK6

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