中孔活性炭纤维及其复合材料以及聚苯乙烯的降解

发布时间：2020-11-09 05:35

　　 随着大量液体和固体废物不断的排放到环境中,环境污染问题也在日益加重,因此简单高效的处理环境污染物的技术处于迫切需求中。 由于吸附技术是应用最为方便、最为广泛的技术之一,而活性炭纤维是新型的碳类吸附材料,因此本文集中精力与活性炭纤维的制备,改性工作。并对聚苯乙烯的降解进行了探索性的研究。 为了使活性炭纤维更适合大分子污染物的去除,我们采用了廉价的聚乙烯醇纤维为原料,通过一系列预氧化、脱水、碳化和活化过程,利用静态空气为活化气体,制备了一系列聚乙烯醇基中孔活性炭纤维。这些中孔活性炭纤维的孔结构,比表面积和表面化学性质可以通过准确的调控活化条件得到调节。在900℃下活化120 min或在1000℃活化90 min,可以制备出中孔孔容高达66%的活性炭纤维。并且该活性炭纤维不仅对小分子的碘具有极高的吸附量,对大分子污染物亚甲基蓝同样具有很好的去除效果,它们的吸附容量分别达到了1934 and 709 mg g-1。孔内扩散模型和准二级动力学模型的计算结果表明,提高纤维的中孔孔容积,可以有效提高活性炭纤维对亚甲基蓝的吸附速率,对于中孔孔容比例为66%的活性炭纤维的准二级动力学吸附速率常数与最低中孔孔容比例的活性炭纤维的吸附速率箱体,提高了6倍。 对静态空气活化的聚乙烯醇基活性炭纤维的实际应用潜力的评估,采用快速小型固定床动态吸附实验,并对影响该吸附过程的影响因素,填料密度,柱长,污染物浓度,以及流速进行了检测。实验结果表明,该静态空气活化的聚乙烯醇基活性炭纤维在保证没有沟流的前提下,可以允许的填料密度范围比较宽泛。这对实际应用来说是一大优势。利用了BDST模型对不同柱长的吸附柱的吸附行为进行了模拟。BDST的模拟结果证明了该活性炭纤维的吸附过程中涉及到了孔内扩散及外层传质等过程。 由于活性炭纤维的成本比较高,而再生过程也需要一定的成本,而且再生的活性炭纤维的性质会出现下滑。因此,延长活性炭纤维的使用寿命是非常有必要的。而复合材料是一种好的选择。因此,本文还研究了活性炭纤维与二氧化钛材料的复合。通过在聚乙烯醇基活性炭纤维制备程序中的中间产物-脱水纤维-上涂敷钛溶胶,然后对后续活性炭纤维的制备步骤不做任何改变的前提下,制备出了二氧化钛与聚乙烯醇基活性炭纤维的复合材料。SEM观测到,该复合材料中,二氧化钛的大小和形状并不一致。而该复合材料的XRD图谱揭示出,其中的二氧化钛是锐钛矿和金红石型二氧化钛的混合体；并且,通过与溶胶-凝胶法制备的单纯的二氧化钛的XRD谱图相对比,发现,脱水纤维可以有效抑制锐钛矿的的二氧化钛向金红石型二氧化钛的转变,即便是活化温度为1050℃,以二氧化碳活化60分钟,依然有属于锐钛矿的衍射峰出现在XRD谱图上；而单纯的钛凝胶在800℃下以二氧化碳活化60分钟后,其XRD谱图上已经没有属于锐钛矿的衍射峰。并且,热分析结果证明,担载在脱水纤维上的钛凝胶并不影响纤维在碳化过程中形成层状石墨微晶结构。UV-Vis漫反射光谱显示,该复合材料中的二氧化钛可以被UV光激发产生光生电子和电子空穴。而罗丹明B的光催化降解实验也证明了该复合材料的这一特性。值得注意的是,复合材料对亚甲基蓝的吸附能力要比同样活化条件下制备的单纯的活性炭纤维小；但其对分子尺寸比亚甲基蓝大的罗丹明B的吸附能力子比同样活化条件下制备的活性炭纤维大,这说明担载的钛凝胶有利于中孔乃至大孔在活化过程中发育。 由于聚苯乙烯是最主要的塑料制品的原料,每年都有大量的聚苯乙烯被消费掉,同样也有大量的聚苯乙烯废弃制品被释放到环境中。因为聚苯乙烯等聚合物的化学性质十分稳定,因此处理聚苯乙烯废弃物的简单的、高效的方法处于比较急迫的需求中。本文通过研究交联聚苯乙烯与磺化的交联聚苯乙烯的Fenton及光助Fenton降解反应,发现高度亲水,并可以结合铁离子的磺酸基团,对于聚合物的降解是十分必要的。该基团可以将铁离子吸附在聚合物表面,在UV照射下,铁光解成更高价太的,氧化能力更强的铁氧化物,从而启动聚合物链的断裂,使之转化被小分子链的、能够溶解与水的碎片,进而是溶液中产生的羟基自由基更为有效的攻击C-C键,从而实现整个聚合物的彻底矿化。这些探索实验得到的结果,为聚合物处理技术提供了理论基础。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2010
【中图分类】：X13
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 环境污染
    1.2 活性炭纤维及其性质
    1.3 活性炭纤维的制备方法
    1.4 表征方法
        1.4.1 孔径结构
        1.4.2 表面化学性质
    1.5 近年来的研究热点
        1.5.1 孔径调制
        1.5.2 表面化学修饰
        1.5.3 活性炭纤维的复合材料
    1.6 聚苯乙烯塑料废物
    1.7 研究目的
第二章 中孔聚乙烯醇基活性炭纤维的制备与表征
    2.1 综述
    2.2 实验条件
        2.2.1 试剂及中孔聚乙烯醇基活性炭纤维的制备方法
        2.2.2 结构表征
        2.2.3 表面化学性质分析
        2.2.4 亚甲基蓝和碘的吸附
    2.3 结果与讨论
        2.3.1 表面结构
        2.3.2 孔结构
        2.3.3 类石墨结构
        2.3.4 表面化学性质
        2.3.5 静态吸附
        2.3.6 亚甲基蓝的吸附动力学
    2.4 结论
第三章 静态空气活化的聚乙烯醇基活性炭纤维的动态吸附
    3.1 综述
    3.2 实验材料和方法
        3.2.1 材料
        3.2.2 静态空气活化的聚乙烯醇基活性炭纤维的制备
        3.2.3 静态吸附实验
        3.2.4 动态固定床吸附
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 静态空气活化的聚乙烯醇基活性炭纤维的性质
        3.3.2 静态吸附等温线
        3.3.3 固定床动态吸附的数学分析
        3.3.4 固定床动态吸附
            3.3.4.1 吸附柱密度的影响
            3.3.4.2 柱长的影响
            3.3.4.3 起始亚甲基蓝溶液浓度的影响
            3.3.4.4 流速的影响
            3.3.4.5 柱长运行时间模型对数据的分析
    3.4 结论
第四章 二氧化钛与活性炭纤维复合材料的制备与表征
    4.1 综述
    4.2 实验部分
        4.2.1 试剂
        4.2.2 二氧化钛与活性炭纤维复合材料的制备
        4.2.3 表征
            4.2.3.1 表面形貌以及结构特征
            4.2.3.2 晶体结构分析
            4.2.3.3 UV-Vis漫反射光谱
            4.2.3.4 热分析
            4.2.3.5 X-射线广电能谱分析（XPS）
            4.2.3.6 液相吸附亚甲基蓝
            4.2.3.7 光催化降解RhB
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 表面形貌以及结构特征
        4.3.2 热分析结果
        4.3.3 晶体结构
        4.3.4 UV-Vis漫反射谱图
        4.3.5 XPS分析
        4.3.6 对亚甲基蓝的吸附容量以及光催化降解RhB
    4.4 结论
第五章 铁与活性炭纤维复合材料的制备与表征
    5.1 综述
    5.2 实验部分
        5.2.1 材料和反应试剂
        5.2.2 Fe/ACF复合材料的制备
        5.2.3 晶体结构分析
        5.2.4 光助降解反应
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 晶体结构分析
        5.3.2 催化活性
3++H₂O₂)的对比'>        5.3.3 Fe/ACF复合材料与活性炭纤维吸附及均相Fenton反应(Fe³⁺+H₂O₂)的对比
        5.3.4 UV-Vis光谱
        5.3.5 溶液起始pH的影响
        5.3.6 过氧化氢浓度的影响
        5.3.7 重复使用性检测以及铁离子的释放
    5.4 结论
第六章 光助Fenton反应降解聚苯乙烯
    6.1 综述
    6.2 实验部分
        6.2.1 材料和方法
        6.2.2 聚苯乙烯废物的磺化
        6.2.3 Fenton和光助Fenton反应降解聚苯乙烯
    6.3 结果与讨论
        6.3.1 Fenton反应降解聚苯乙烯
        6.3.2 光助Fenton反应条件的优化
        6.3.3 CS-PS表面的磺酸基团在光助Fenton反应中的作用
        6.3.4 光助Fenton反应降解泡沫聚苯乙烯废弃物
    6.4 结论
第七章 结论与展望
    7.1 结论
    7.2 展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

【共引文献】

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1 马晓军;木材苯酚液化物碳素纤维化材料的制备及结构性能表征[D];北京林业大学;2007年

本文编号：2875969