论文摘要
活性炭作为一种典型的多孔材料,具有比表面积高、孔结构发达、耐高温、耐腐蚀、导电、传热、抗酸耐碱、化学稳定性好和生物相容性好等一系列优点。活性炭在吸附方面的应用已经成为研究的热点之一,它可用于气相和液相的吸附分离过程,用作防毒面具、分离精制气体、回收有机溶剂、去除重金属离子和净化污水源等。目前,关于活性炭的吸附研究主要停留在利用活性炭的多孔特性,以物理吸附为主,但活性炭的吸附特性不仅取决于其孔结构,与表面化学性质也有很大关系,因此,研究者对活性炭表面进行化学改性使其吸附性能增强。本文中研究了将具有特殊基团的功能性聚合物引入到活性炭孔内,制备出多孔聚合物-活性炭纳米复合材料,这种材料既可以发挥活性炭的孔结构优势,还能利用聚合物链段的特殊基团对废水中有机污染物进行吸附。多孔聚合物-无机纳米复合材料不仅能将无机材料的光、电、磁等性能与聚合物的力学性能、功能性相结合,更重要的是纳米孔的存在为材料的实际应用提供了通道,比如质子的传送、溶液的运输、气体的扩散、各种生物反应的快速进行等,使这种材料在电学、光学、生物、医药和环保等领域具有广阔的应用前景。本文首先采用资源丰富,价格低廉的稻壳作为原料,用NaOH作为活化剂的化学活化法制备活性炭,讨论了浸渍比、活化方式、活化温度和活化时间对活性炭碘吸附值和产率的影响,并对稻壳在450℃氮气保护下炭化4h,浸渍比为3.0,在400℃下预处理30min,再升温到800℃,进行高温活化2h,洗净烘干,制备出的活性炭进行表征,发现其氮气吸附/脱附等温线为Ⅳ型,比表面为1200m2.g-1,平均孔径为3.7nm,孔容积为0.67cm3.g-1。其次,探索了将聚合物合成到活性炭孔内的方法,用冷冻充气法成功地将丙烯酸直接原位聚合在活性炭孔内。发现丙烯酸与活性炭的质量比、聚合温度和聚合时间都会对多孔聚丙烯酸-活性炭纳米复合材料的性能产生影响,当聚合反应温度为80℃,聚合反应时间达到22h,聚丙烯酸含量约为20%时,比表面积下降为349m2.g-1,平均孔径下降为2.7nm,孔容积下降为0.34 cm3.g-1,其红外谱图显出具有活性炭C-C键产生的峰和PAA特征键的偏移峰。并用所制备的复合材料对苯胺和硝基苯进行吸附,发现其对苯胺和硝基苯的吸附以化学吸附为主,聚合物含量越高,吸附容量越大;吸附容量随着时间的延长而增加,直至20h后趋于平衡;吸附剂用量越增加,吸附容量越大,而且吸附过程更加适用Langmuir吸附等温方程和准二级动力学方程。最后,用搅拌法以溶液聚合法将丙烯酰胺聚合在活性炭孔内,当聚合反应的温度为90℃,反应时间达到24h,制备的出多孔聚丙烯酰胺-活性炭纳米复合材料的比表面积为611m2.g-1,平均孔径为2.6nm,孔容积为0.42cm3.g-1。并用所制备的复合材料对苯酚、4-氯苯酚、五氯苯酚钠进行吸附,发现其对酚类化合物以化学吸附为主,吸附容量随着时间的延长而增加,直至20h后趋于平衡;吸附剂用量越增加,吸附容量越大,而且吸附过程更加适用Langmuir吸附等温方程和准二级动力学方程。