【摘要】：有序中孔炭規(guī)整的中孔孔道及易于調(diào)變的孔結(jié)構(gòu)是其區(qū)別于活性炭的獨(dú)特之處�？煽氐闹锌捉Y(jié)構(gòu)為液相中各類分子尤其是大分子物質(zhì)提供了高效的傳質(zhì)通道和吸附場(chǎng)所,因而在環(huán)境治污中受到越來越多的關(guān)注。結(jié)合目前水處理中活性炭對(duì)染料、腐殖酸、抗生素等大分子量有機(jī)物吸附性能差的問題,本研究采用模板技術(shù)合成了不同孔結(jié)構(gòu)的有序中孔炭,對(duì)中孔炭的孔結(jié)構(gòu)和表面特性進(jìn)行了表征,以直接凍黃染料、腐殖酸、抗生素、單寧酸及苯酚等常見有機(jī)污染物為探針吸附質(zhì),從孔道大小、孔形狀及孔道有序性等方面探討了有序中孔炭的孔結(jié)構(gòu)在吸附有機(jī)污染物中的影響。取得的研究結(jié)果如下：1)有序中孔炭CMK-3及活性炭對(duì)直接凍黃的吸附均能用Langmuir模型很好擬合。25℃下,CMK-3與活性炭對(duì)直接凍黃的最大吸附量分別為303.0mg/g、161.3mg/g,說明CMK-3較活性炭對(duì)直接凍黃有更大的吸附容量。直接凍黃在CMK-3與活性炭上的吸附過程符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,且吸附速率隨著濃度的增加而逐漸降低。在相近的吸附量下(分別是43mg/g、106mg/g、180mg/g),中孔炭的二級(jí)速率常數(shù)均高出活性炭一個(gè)數(shù)量級(jí)。上述結(jié)果闡明了中孔對(duì)吸附水中直接凍黃有重要作用。2)用寬孔道分布的活性炭和無孔石墨分別作為對(duì)比和參照吸附劑,選擇苯酚作為小分子污染物的探針物,研究了煤炭腐殖酸和土壤腐殖酸在有序中孔炭CMK-3上的吸附機(jī)制。由于分子篩效應(yīng),兩種腐殖酸在活性炭上的吸附遠(yuǎn)低于中孔炭CMK-3上的吸附；相應(yīng)地,兩種吸附劑的孔道對(duì)苯酚無分子篩效應(yīng),相近的比表面積使苯酚在中孔炭與活性炭上的吸附相當(dāng)。凝膠色譜的結(jié)果表明,有序中孔炭CMK-3對(duì)腐殖酸大分子量組分的吸附強(qiáng)于活性炭。隨pH值的增加,兩種腐殖酸在中孔炭CMK-3、活性炭及石墨上的吸附均逐漸降低；但與煤質(zhì)腐殖酸相比,土壤腐殖酸的疏水性受pH影響更強(qiáng)烈,導(dǎo)致土壤腐殖酸的吸附強(qiáng)弱隨pH的變化更明顯。3)分別用中孔硅SBA-15、MCM-41為硬模板合成了開放孔形狀的中孔炭CMK-3和類似炭納米棒結(jié)構(gòu)的多孔炭C41,用嵌段共聚物F127為軟模板合成了閉合孔形狀的中孔炭C-LTA。對(duì)比研究了苯酚和磺胺甲嗯唑、泰樂菌素兩種抗生素在不同孔大小和孔形狀的多孔炭上的吸附行為。為便于比較,另選取無孔石墨和活性炭作為參比吸附劑。小角X射線衍射、透射電鏡、氮?dú)馕浇Y(jié)果顯示,CMK-3與C-LTA的孔道均以二維六方形式規(guī)整排列,其最可幾徑分別為3.97nm、4.92nm;C41不具備有序的特定孔結(jié)構(gòu)。小分子苯酚和磺胺甲嗯唑在這些吸附劑上的吸附不受孔結(jié)構(gòu)的限制,吸附強(qiáng)弱只與比表面積有關(guān)；泰樂菌素的吸附同時(shí)受孔大小和孔形狀的影響。開放孔形狀的中孔炭CMK-3對(duì)泰樂菌素的吸附性能優(yōu)于其他四種吸附劑；可能由于柔性孔結(jié)構(gòu)的分子篩效應(yīng)比剛性閉合孔結(jié)構(gòu)低,導(dǎo)致泰樂菌素在C41上的吸附強(qiáng)于中孔炭C-LTA;但規(guī)整的中孔孔道仍使C-LTA對(duì)泰樂菌素的吸附高于活性炭。動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明,苯酚及泰樂菌素在CMK-3、C-LTA、C41及活性炭上的吸附過程均符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。小分子苯酚在CMK-3、C-LTA、C41及活性炭上的吸附速率無明顯差別；泰樂菌素的吸附速率順序?yàn)椋篊MK-3 C-LTAC41活性炭,說明其吸附過程不僅受孔大小的影響,還受孔結(jié)構(gòu)、孔形狀的影響。4)有序中孔炭CMK-3經(jīng)C02高溫活化后,中孔和微孔孔容均有提高。苯酚和單寧酸在活化前后CMK-3及活性炭上的吸附結(jié)果表明：C02活化方法提高了中孔炭對(duì)苯酚和單寧酸的吸附；對(duì)比吸附前后材料的孔容變化發(fā)現(xiàn),C02后處理所增加的微孔和中孔都適合單寧酸的吸附,而活性炭的大部分微孔由于分子篩效應(yīng)不能被單寧酸利用；苯酚與單寧酸在活化前后中孔炭CMK-3及活性炭上的吸附過程同時(shí)受外部膜擴(kuò)散和孔內(nèi)擴(kuò)散影響；活化后的CMK-3對(duì)單寧酸的吸附快于活化前的CMK-3,強(qiáng)烈的分子篩作用使單寧酸在活性炭上的吸附非常緩慢。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：X703;O647.3
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本文編號(hào)：2640830