分级微纳结构吸附材料的设计、构筑及其在水处理中的应用

发布时间：2020-07-15 03:32

【摘要】：全球水体的日益污染和水质的不断恶化已成为人类当前面临的严重问题。显然，对清洁水环境的持续需求则会催生许多重要的水污染控制技术。在目前通用的物理，化学和生物等水污染控制技术中，由于其简单，高效，节能，操作成本低等特点，吸附技术被认为是一种经济，有效而又灵活的方法。作为该技术的基础，吸附剂材料的本征特性是其成功实施的关键。然而，传统的吸附剂常常吸附能力有限、吸附速率低、分离能力差和再生困难，制约了其实际应用。因此，设计和制备具有简易分离和低成本再生的高效吸附剂是满足高速发展的水处理技术一直追求的目标。多孔微纳结构材料拥有优异的结构特征（如比表面积高，孔体积大和孔径可调），特殊的形貌，灵活的结构以及化学稳定性和热稳定性。它们在吸附去除水中有毒污染物方面显示出许多优势：具有丰富的吸附活性位点，提供更多质量传输的可用通道，维持结构稳定的机械性能以及特殊的功能性（光、电、磁学性能）。本论文主要致力于具有特殊功能性的新颖多孔微纳结构的设计和制备，并对其吸附去除水中有机染料的性能进行了系统研究，主要研究内容如下： 1.通过牺牲模板法制备了多孔NiO花状微纳结构。这种具有分级多孔特殊结构的NiO能够作为一种高效、可再生吸附剂快速地去除水中刚果红染料，其饱和吸附容量达到了223.8mg·g-1。吸附动力学和吸附平衡可以分别用准二级动力学模型和Freundlich吸附等温模型进行描述。探讨了溶液pH值对其吸附性能的影响，并通过红外光谱证实了NiO与刚果红之间存在明显的静电引力作用。更为重要的是，多孔NiO花状微纳结构可以通过“吸附—自然沉降—热催化再生”过程实现循环使用，显示出其潜在的水处理应用前景。 2.通过热处理草酸盐模板合成了新颖的多孔多面体状MgO微纳结构。由于该微纳结构具有许多优点（如三维分级结构，孔隙丰富，比表面积大和宽pH范围内表面正电性），它对吸附去除水中刚果红染料表现出强大的能力，其饱和吸附容量高达669.0mg g-1，明显高于文献中报道的许多微纳结构吸附剂。我们还对吸附过程中的机制进行了详细的研究，发现静电引力作用和表面氢键作用共同作用于吸附过程。鉴于其优越的吸附性能、廉价的合成原料及其简单的制备方法，多孔多面体状MgO微纳结构为处理高浓度染料废水提供了一个理想的平台。 3.通过简单快速的微波非水液相合成法制备了新颖的多孔微球状BiOI微纳结构。该微纳结构对水中刚果红同样表现出良好的吸附性能，其饱和吸附容量为216.8mg·g-1。吸附过程能够分别用准二级动力学模型和Freundlich吸附等温模型进行确切的描述。一方面，特殊的分级多孔结构和较大的微观尺寸赋予了其简易分离回收；另一方面，在可见光区的本征光吸收特性又使其显现出诱人的光催化再生能力。因为其具有高效吸附、简单固液分离、经济光催化再生，这种新颖结构和独特性能的BiOI材料，为新一代吸附材料的开发与寻找提供了参考。 4.利用棒状草酸盐作为模板通过简单的热处理制备了多孔棒状MgFe2O4超结构。该超结构对水中刚果红染料表现出优越的吸附性能，其饱和吸附量为200.0mg·g-1。棒状MgFe2O4超结构具有本征磁学特性，在外加磁场下能够简易地从反应体系中磁分离。更为重要的是，棒状MgFe2O4超结构显现出宽范围的太阳光谱吸收特性，同时具有活化H2O2的能力。通过“吸附—磁回收—光催化再生”过程实现了其循环使用。因此，这种多功能而又廉价的棒状MgFe2O4超结构在水处理领域展现出潜在的应用前景。 5.设计了金属纳米颗粒功能化的微纳结构进一步拓展其在环境水处理中的应用。通过一种简单的一锅溶剂热反应合成了负载Ag纳米颗粒的花状Ni(OH)2微纳结构。显微电镜观测结果显示，Ni(OH)2微纳结构可以作为稳定载体均匀地分散和担载Ag纳米颗粒。Ag/Ni(OH)2微纳结构不仅具有前述微纳结构优异的吸附性能，同时由于Ag纳米颗粒的功能化，它还展现出良好的催化还原活性，能够在较短时间内催化硼氢化钠还原4-硝基苯酚为4-氨基苯酚。
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X703;O647.3
【图文】：

介质,颗粒,吸附剂,碳材料

图 1-1 颗粒在孔介质中的吸附Figure 1-1 Adsorption of particles into the porous media材料吸附剂是自然界中最常见的元素之一，它通常以单质或化合物形式广的天然矿物和生物有机体中。碳元素具有多种同素异形体，除石和石墨外，还包括近年来发现的富勒烯、碳纳米管和石墨烯纳米管和石墨烯发现以来，碳材料引起了人们越来越多的关注能多样，应用广泛，作为吸附剂材料在环境水处理领域亦展现。目前，用着水处理的碳材料吸附剂主要有活性炭，碳纳米管，炭黑等。炭是碳材料吸附剂中最具代表性的一种，它的表面拥有许多含基、羧基等），含有大量微孔，具有巨大的比表面积，因此，容量。活性炭能够高效去除水中多种污染物，如染料，重金属，

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图 1-2 制备石墨烯/Fe3O4/MWCNTs 纳米复合物的示意图Figure 1-2 A schematic diagram of the preparation of magnetic graphene-MWCNTs hybrid此外，多孔碳具有独特的孔隙结构，较大的比表面积，较高的化学稳定性及机械性能，广泛应用于环境、催化、染料敏化电池、超级电容器等诸多领域。由于其超强的吸附性能，多孔碳在水处理领域同样备受关注。Chang 等[45]以碳纳米微球和 ZnCl2为原料采用简易水热法合成了多孔碳纳米球（PCNS）。该材料拥有超高的孔隙度，高比表面积和大孔径，它对亚甲基蓝，孔雀石绿和罗丹明 B的最大吸附容量分别高达 3152，1455 和 1409 mg·g-1，远远高于活性炭和其它碳

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图 1-2 制备石墨烯/Fe3O4/MWCNTs 纳米复合物的示意图igure 1-2 A schematic diagram of the preparation of magnetic graphene-MWCNTs hyb此外，多孔碳具有独特的孔隙结构，较大的比表面积，较高的化学稳定性能，广泛应用于环境、催化、染料敏化电池、超级电容器等诸多领域超强的吸附性能，多孔碳在水处理领域同样备受关注。Chang 等[45]以碳和 ZnCl2为原料采用简易水热法合成了多孔碳纳米球（PCNS）。该材高的孔隙度，高比表面积和大孔径，它对亚甲基蓝，孔雀石绿和罗丹大吸附容量分别高达 3152，1455 和 1409 mg·g-1，远远高于活性炭和其

【参考文献】