【摘要】：廢棄塑料產(chǎn)生的“白色污染”已經(jīng)成為最嚴重的污染之一。這些廢棄塑料不僅對環(huán)境造成了潛在的危害,還不利于人們的身心健康。對廢棄塑料進行回收再利用,并將其轉化為附加值更高的材料,不僅有利于緩解日益嚴重的環(huán)境壓力,還可節(jié)約大量的能源和原材料。另一方面禽類羽毛如雞毛等廢棄角蛋白也日益危害著環(huán)境,如何處理和利用也成為一個亟待解決的棘手問題。現(xiàn)需要開發(fā)一種有效的工藝可以同時處理這些不同類型的廢棄物,并制備出高附加值的功能材料。在本論文中,筆者將超臨界二氧化碳(scCO2)體系用于處理這些不同類型的廢棄物,制備出幾種碳納米材料,并探討其在超疏水、催化等領域的應用。 禽類羽毛是可再生的、廉價的、豐富的。如果它們能夠轉化為價值更高的功能材料,則具有巨大的商業(yè)價值。本文研究揭示1克雞毛(包括羽柄和羽片)在超臨界二氧化碳體系中600℃的溫度下熱解3小時,能形成0.25克形貌較好的直徑為1-5微米的碳微球和0.26克碳酸氫銨(一種化肥)。在產(chǎn)物形成的過程中,反應溫度至關重要。低于600℃時,則沒有碳酸氫銨生成,且也只有少量碳產(chǎn)物出現(xiàn)。生成的碳微球具有很高的氮含量,大約為12.8wt%。在這個工藝中,雞毛中大約30.6wt%的氮被轉化為碳酸氫銨中的氮,大約21.1wt%的氮被摻雜到含氮的碳微球中。隨后我們將制備出來的碳微球和退火后的碳微球作為原料應用到超疏水紡織涂層上來,其接觸角可達到153.2±1.7和165.2士2.5°。這個工藝最大的優(yōu)勢是能夠同時將雞毛轉化為兩種價值更高的產(chǎn)物。筆者也研究了將雞毛制備成碳納米管的工藝技術,發(fā)現(xiàn)在上述體系中加入醋酸鎳就能夠得到碳-Ni3S2同軸納米纖維(Ni3S2@C),然后經(jīng)酸處理能將其進 一步轉化為氮摻雜的碳納米管(N-CNTs)。在這個工藝中,雞毛中大約34.0wt%的氮被轉化為碳酸氫銨肥料中的氮,大約9.5wt%的氮被摻雜到碳納米管中。雞毛中大約86.6%的硫元素被轉化為Ni3S2,這樣有利于減少硫化氫二氧化硫等有害氣體的排放。在硼氫化鈉提供氫氣的對硝基苯酚向對氨基苯酚轉化的還原反應,Ni3S2@C和N-CNTs樣品都有很高的催化活性,,其初次的速率常數(shù)分別為0.9×10-3s-1和2.1×10-3s-1。經(jīng)過6次循環(huán)后,仍然具有較高的催化活性,且催化劑很容易離心分離。氮摻雜碳納米管的催化活性要高于氮摻雜石墨烯的催化活性,且和Pd等一些貴金屬催化劑活性相當。氮摻雜碳納米管中的氮含量達到了6.43wt%,這保證了其卓越的催化性能。這是個有效的低成本的回收利用廢棄雞毛的方法,同時展示了氮摻雜碳納米管材料的一個新的應用領域。 使用廢棄PET和Si02微球為原料,先在超臨界二氧化碳體系中,在650℃的溫度下保持3小時,之后在1500℃真空下退火4小時,成功制備出立方3C碳化硅納米線。制備出的碳化硅納米線有十幾微米長,直徑為30-150納米。這些碳化硅納米線形成主要發(fā)生在PET形成的碳微球內(nèi)部。因此,生成的碳化硅納米線均被碳微球所包裹,只有在空氣中加熱去除外部多余的碳后,這些碳化硅納米線才能被SEM和TEM所觀察到。 在大氣環(huán)境下,聚烯烴類廢棄物需要上百年才能降解完全,以聚乙烯廢棄物為碳源,以四水合醋酸鎳為催化劑在超臨界二氧化碳體系中制備出了碳納米管-鎳復合材料。制備出來的碳納米管有十幾個微米長,直徑為100納米左右,且包含20wt%直徑為100納米的鎳納米顆粒在其表面。用它來催化對硝基苯酚向對氨基苯酚轉化的還原反應,碳納米管-鎳復合材料具有很好的催化活性。這不僅提供了一種處理廢棄塑料的方法,還展示了一種新的直接由廢棄塑料制備納米催化劑材料的方法。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：X705;TB383.1

【參考文獻】

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本文編號：2600323