生物質(zhì)多級孔碳材料的制備及其吸附水中磺胺二甲基嘧啶性能研究.pdf

1、磺胺類抗生素是人工合成的一類抗菌性藥物，在人、畜及水生生物感染性疾病的治療與預(yù)防方面起到了重要的作用。但長期持久的使用使得水體中磺胺類抗生素殘留超標(biāo)，破壞生態(tài)系統(tǒng)的平衡。吸附法由于其能耗較低，無副產(chǎn)物且吸附劑可循環(huán)利用等特點已成為去除水環(huán)境中磺胺類抗生素殘留最常用的方法。為了解決傳統(tǒng)吸附劑合成原料種類繁多，價格昂貴，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，比表面積較小，吸附速率較低等缺點，本文以單一、廉價的生物質(zhì)材料為碳源，通過先碳化后活化的生產(chǎn)工藝，制備出具有

2、高比表面積、較強吸附速率的吸附劑材料。本文選取磺胺二甲基嘧啶（SMZ）為研究對象。以廉價、產(chǎn)量豐富、可再生且富含碳元素及氮元素的蝦殼、牛骨、酵母菌三種生物質(zhì)材料為碳源。首先將原材料在 N2的保護下高溫碳化，然后經(jīng) KOH高溫活化制備出一系列的多級孔吸附材料，并通過表征及靜態(tài)吸附試驗判定出最佳活化條件。通過掃描電子顯微鏡（SEM），透射電子顯微鏡（TEM）等先進的表征手段分析產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和形貌等特點。通過吸附等溫線、吸附動力學(xué)和再生性能測試

3、等方法來研究生物質(zhì)多級孔碳材料的吸附特征。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴以蝦殼為原料，通過自模板法碳化和KOH活化制備出蝦殼基N摻雜多級孔碳材料（N-HPCs）。分別對其形貌特征、各元素含量百分比及比表面積等參數(shù)進行表征。結(jié)果表明：產(chǎn)物的比表面積、孔隙率及產(chǎn)量與KOH質(zhì)量比、活化溫度有關(guān)?？疾靺?shù)影響發(fā)現(xiàn)：當(dāng)KOH與碳化蝦殼的質(zhì)量比為2:1且活化溫度為850oC時，所制備的吸附劑材料（N-HPC-850-2）產(chǎn)量較高且比表面積和孔體

4、積最大分別為3171 m2 g-1和1.934 cm3 g-1，是最佳制備條件。與Freundlich模型相比吸附實驗數(shù)據(jù)更好的吻合Langmuir吸附等溫線模型能，且隨溫度的升高吸附量增大。準(zhǔn)二級動力學(xué)模型可以更好的描述吸附動力學(xué)數(shù)據(jù)。同時再生性實驗表明 N-HPC-850-2具有良好的再生穩(wěn)定性，為快速、高效的去除水環(huán)境中磺胺類抗生素的殘留提供了可能。⑵以牛骨為原材料采用KOH活化方法制備出擁有優(yōu)良性能的牛骨基多級孔碳材料，且其具有

5、較大的比表面積和孔隙率、較好的化學(xué)穩(wěn)定性和多種尺寸的孔道結(jié)構(gòu)。通過FT-IR，SEM，TEM，Raman及元素分析等方法對多級孔碳材料的物理化學(xué)性質(zhì)進行了表征。分析結(jié)果表明：當(dāng)活化溫度大于700oC時有利于孔道結(jié)構(gòu)的發(fā)展，當(dāng)活化溫度達到850oC且KOH與碳化牛骨的質(zhì)量比為3:1時，BHPC-850-3的比表面積和總孔隙率均達到最大值分別為3232m2 g-1和1.976cm3 g-1。通過 SEM，TEM和 FT-IR的表征圖中可以看

6、到活化前后材料的形貌結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化。由Freundlich和Langmuir吸附方程對實驗數(shù)據(jù)進行分析。準(zhǔn)一級和準(zhǔn)二級動力學(xué)模型對吸附動力學(xué)數(shù)據(jù)進行擬合。靜態(tài)吸附結(jié)果表明：與Freundlich等溫線方程相比BHPC-850-3對SMZ的吸附數(shù)據(jù)更符合Langmuir等溫模型。準(zhǔn)二級動力學(xué)曲線擬合能更好的符合動力學(xué)行為。從熱力學(xué)實驗參數(shù)（ΔG°,ΔS°和ΔH°）可以看出BHPC-850-3對SMZ的吸附是自發(fā)的吸熱過程。同時BHPC

7、-850-3表現(xiàn)出良好的再生性和穩(wěn)定性，為生物質(zhì)材料在高效去除水環(huán)境中磺胺類抗生素殘留提供了可行性方案。⑶酵母菌作為繁殖能力強、環(huán)境友好型可再生生物質(zhì)資源，其含有大量的碳元素及氮元素，是制備吸附性碳材料的優(yōu)選原料。通過自模板法碳化及 KOH活化兩步制備出富含多級孔的碳材料（YHPC-3）。通過 FT-IR、SEM、Raman及元素分析等表征方法其物理化學(xué)性質(zhì)進行分析。結(jié)果顯示YHPC-3具有最大的比表面積（3808 m2 g-1）和最高

8、的空隙率（2.202 cm3 g-1），且能高效地去除水環(huán)境中殘留的SMZ。靜態(tài)吸附結(jié)果表明：SMZ的去除率隨反應(yīng)溫度的升高而增長，但溶液的pH值對其影響較小。YHPC-3對SMZ的去除過程屬于Langmuir單分子層吸附，準(zhǔn)二級動力學(xué)曲線能更好的描述吸附動力學(xué)過程。熱力學(xué)實驗參數(shù)表明YHPC-3對SMZ的去除過程為自發(fā)的吸熱反應(yīng)。同時通過再生性實驗YHPC-3展現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性和再生性。YHPC-3展現(xiàn)出優(yōu)良的吸附性能和良好的化學(xué)穩(wěn)