疏水大孔—介孔炭材料的构筑及其应用研究

发布时间：2020-03-29 01:57

【摘要】：随着溢油事故频繁发生,对环境危害日益加剧的同时,不仅造成能源的损失,还对社会经济产生严重影响。为了解决由于溢油对水体造成的环境污染,越来越多的新型除油技术以及吸油材料被应用到油水分离领域。将具特殊润湿能力的多孔材料作为油吸附剂,被认为是一种具有发展前景的水体修复方法。多孔炭材料的制备方法简单、原料廉价易得,具有耐热、耐腐蚀、抗辐射、无毒害、不会造成二次污染、可再生重复使用等优异性能,作为吸附材料已经在水质净化领域发挥重要作用。将介孔通道和大孔通道进行整合制备出分级多孔炭材料,可以在保持材料单一尺寸孔道的优异性能以外,还能明显增强材料的传输能力。因此,大孔-介孔炭材料可以有效移除水质中的有机污染物,尤其是在具有一定粘度的油品中其吸附能力更加显著。本论文以模板法为主要合成路径,采用具有三维网络结构的材料作为骨架模板,制备出结构完整的大孔炭材料。以大孔炭材料作为主要研究对象,利用蒸发诱导的自组装法,将有序的介孔通道引入到大孔骨架中,构筑出具有微-纳米结构的疏水表面。对合成的疏水大孔-介孔炭材料的形貌、孔参数、骨架结构以及表面润湿行为进行深入研究,将其作为一种油吸附剂,对材料的油吸附能力、吸附行为、循环利用性能以及吸附机理能进行探索和分析。首先,以聚苯乙烯胶体晶体作为三维有序大孔结构的骨架模板,以可溶性酚醛树脂溶液作为碳源,借助三嵌段共聚物作为介观结构的模板剂,通过双模板路径构筑了三维有序大孔-介孔炭材料。样品的大孔通道排列规则有序,展示出鲜艳的仿生结构色,大孔内径处于亚微米范围(约为221 nm),大孔孔壁上分布着纳米级中孔通道(约为12 nm),表现出较高的比表面积(753 m2/g)和较大的孔体积(0.58 cm~3/g)。其次,简化合成路径,利用商品化的密胺海绵代替胶晶模板,采用浸渍辅助的蒸发诱导自组装方法,将有序的介孔通道成功的引入到以密胺海绵为骨架结构的三维大孔网络中,大规模合成了形貌可控的网状大孔-介孔炭材料。样品的大孔通道是由内径约为75~112mm的不规则孔道组成,部分大孔通道间还由胞膜相连结,胞膜上随机分布着褶皱结构。网状大孔-介孔炭材料的孔壁上还表现出高度有序的二维六角介观结构(4.7~6.3nm),较高的比表面积(686~959 m2/g)和较大的孔容(0.51~0.54 cm~3/g)。样品能够承受500 oC以下的高温环境,表现出好的热稳定性和阻燃性能。采用双模板法可以对三维网络的骨架结构进行有效地复制,合成孔道之间相互连通的大孔-介孔炭材料。由于大孔孔壁上成功的构筑出有序的介孔通道,使得样品具有微-纳米的结构特征,表现出较强的疏水能力(水接触角,118.4~130.0°)。疏水大孔-介孔炭材料在极性水溶液的环境中对非极性的大分子油表现出很强的选择吸附能力,对不同有机溶剂的吸附量达到其自重的0.9~2.1 g/g。样品在水中吸油的吸附机理主要是借助其自身特殊的孔道优势,在三部分作用力下共同完成对大分子油的有效吸附。这三种作用力分别是,大孔通道对大分子油的多层吸附作用,大孔通道对大分子油的内聚填充作用,以及中孔通道对大分子油的毛细凝聚作用。
【图文】：

漏油事故,海洋生物

图 1-1 (a) 重大的漏油事故; (b) 漏油事故对海洋生物造成的危害Fig. 1-1 Photographs of (a) significant oil spills and (b) oiled animals in marine environment目前，溢油事故的后期清污工作非常艰巨，美国国家海洋局在 2010 年发布的《漏油事故应急指南》[1]指出，海上漏油事故发生后，应该根据漏油的种类、地点、、泄漏规模、轨迹、持续时间以及近期的天气情况等几个方面来采取对应的解决方案时还要考虑到漏油事件影响的环境范围及影响程度。由此可见，漏油事故的处理措

多孔聚合物,多孔物质,无机矿物,有机合成

第一章绪论以及化学和生物修复手段等。在上述方法中，可采用一些疏松多孔材料放置在水面上吸附油膜进行物理移除。这种方法可以将液体的油集中并转移到多孔吸附剂中形成半固体的形态，通过将吸附饱和的吸附剂移除水面的同时达到油水分离的目的，因此，是最常见的一种除油技术。当前被频繁使用的多孔吸附剂有无机、有机以及天然材料等，如图 1-2 所示。无机类吸附材料，包括沸石、硅气凝胶、膨胀蛭石、粘土、膨胀石墨、活性炭等；有机类吸附材料，包括聚丙烯无纺布、聚氨酯泡沫、橡胶等；天然吸附材料，，主要包括稻草垫、丝绵、棉花、木棉、羊毛、洋麻纤维等。但是上述材料在吸附油膜的同时，还会吸附一部分水，因此吸油效率还有待提高。
【学位授予单位】：中国石油大学(华东)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X505;TQ424

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