（材料学专业论文）新型聚合物改性活性炭功能复合材料的制备及性能研究.pdf

江苏失学硕士学位论更 摘要 活性炭作魏种卷嗣的多孔吸附材料，具有比表面积赢、孔结构发达、 耐高温、耐腐蚀、导电、传热、抗酸耐谶、化学稳定链好帮生物褶容性好 等一系列优点零活性炭在吸附方蘧已有广泛应用并再次成为研究热点之一， 它主要应用予气相和液相的吸附分离过程，并广泛应用于防毒面具、分离 精制气体、回收有祝溶剂、去除重金属离子靼净化污水源等各个应耀领域。 圜前，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，与表蔼化学性 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弓 入到活性炭我志， 制餐出薪鍪功能牲聚合物一活性炭复合材料，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功能基团对废水中重金属离子等 污染物进行选择性吸附，因此在电学、光学、生物、医药和繇保等领域都 具毒广阔的应用前景器 1 选择性的采用资源丰富、价格低廉的稻壳佟菇原料，用n a o h 佟鸯 活化剂酶仡学活化法制冬活性炭，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。得出最佳制备条件为：对稻壳 在4 5 0 氮气保护下炭傀簸，浸渍比蔻3 ：1 ，在4 0 0 4 c 下预处理3 0 m i n ， 再升温到8 ，进行高温滤化2 h ，洗净烘干。对制备出的活性炭( r a c ) 进行表征，发现其氮气吸附脱附等温线为蓬，比表露可达1 2 0 0 m 2 g ，平 均孔经麓3 。8 r i m ，孔容积为0 8 c m 3 g 。 2 探索了将聚合物合成到活性炭孔内的方法，雳冷冻充气法成功地将 晕基覆烯酸甲酯直接原位聚合在灌性炭孔肉锫多种测试结果表明了聚甲基 丙烯酸甲酯确实被合成在活性炭的孔道内。通过分析得出，单体大部分聚 江苏大学硕士学位论文 合在基体r a c 孔道表面，聚合物的量约为1 5 。修饰聚合前后的比表面积 和孔体积明显下降( 分别从8 4 8 。4m 2 g 到4 7 9 k ，由0 5 0 2 2c m 3 g 降低至 0 3 4 0 5c m 3 g ) ，并且r a c 和p m m a - r a c 吸附等温线属于第1 v 类型( 介 孔的特征) ，具有c 类型圈滞环( 或h 4 型圈滞环) 。 3 。用超声振荡法将丙烯酸直接原位聚合在活性炭孔内，成功制备出多 孔聚丙烯酸活性炭功能复合吸附材料，并用红外光谱、氮气吸附脱附等 温线和热重分析等分析方法对其进行表征。结果表明：聚合最佳单体配比羔： 1 ，最佳聚合温度是洳；反应时间长达2 4 h 后，复合材料质量不会发生较 大变化。分别霜活性炭和多孔聚丙烯酸一活性炭复合材料对c 毪2 进行吸附实 验并做出比较，然后讨论了聚合物含量和振荡时间对吸附效果的影响，发 现复合材料对c 珏2 + 的吸附以化学吸附为主，聚合物含量约为加时，吸附 量最大；吸附量随着时间的延长而增加，壹至2 0 h 后趋于平衡。用l a n g m u i r 和f r e u n d l i c h 吸附等温方程分析吸附热力学，用拟二级方程分析吸附动力学 过程，分析可知：多孔聚丙烯酸一活性炭复合材料对c u 2 + 的吸附过程适用 f r e u n d l i c h 吸附等温方程和拟二级动力学方程。 4 。采用超声振荡加冷冻充气法将2 一丙烯酰胺- 2 - 甲基丙磺酸( 淞m p s ) 直接原位聚合聚合到多孔活性炭表面，对影响吸附的各种因素进行了实验 研究，并研究了它对弛“、蕊2 + 和z f + 的选择吸附性能。引入1 7 的p a m p s 羞，p a m p s ，r a c 仍然保持着8 3 8m 2 g 的嘉比表面积和0 5 6 c m 3 g 的较大孔 道容积。吸附实验研究结果表明：吸附初期吸附量随吸附时间增加较快， 约2 个小时后吸附达到平缀。对三种重金属离子p b 2 + 、c u 2 + 和z n 2 + 的平衡 吸附量分别为2 7 5 、9 2 和8 3 m g g ，并用拟二级动力学方程对其进行了数据 拟合，结果表明拟二级动力学方程能较好的描述其吸附过程，规律基本一 致，即先快后慢，且速率相差不大。吸附等温线实验结栗表暖：p a m p s 黜婶 对p b “、c u 2 + 和z n 2 + 的吸附量均随p b ( n 0 3 ) 2 、c u ( n 0 3 ) 2 和z n ( n 0 3 ) 2 的初始 溶液浓度的增加而增大，然后逐渐趋于平衡。用l a n g m u k 方程和f r e u n d l i c h i v 江苏大学硕士学位论文 方程对数据遴行了攒合，发瑗蘸个模囊都惹较好黔按合实验数据拳p 至差值嚣 素实验缝果表踢p a m p s 。r a c 对p b 2 + 、c u 2 + 和妇，的吸附量都随金属离子 溶液p h 值的增大而增加，并最终趋予平衡，对舻、c u 2 + 和z n 2 + 的最适 p h 毽蓑次鸯5 5 、5 5 翻6 5 宰选择性吸翳实验磅窕结果表骥：p a m p s ，r a c 对混合离子溶液中金属离子的吸附最大小依次为p b 2 + c u 2 + 搿+ ， p a m p s 。r a c 对p 酽有缀好蘸选择性吸附，可耀p a m p s - r a c 簿圈辩含煮 p b 2 + 、c u 2 + 翱z n 2 + 的溶液或废液进行p b 2 + 的选撵性吸附分离回收。 关键词：驳附材料；涯性炭；功戆聚合物；螯合吸附荆；化学吸附 江苏大学硕士学位论文 a c t i v a t e dc a r b o nm a t e r i a li sak i n do ft y p i cp o r o u sa d s o r p t i o nm a t e r i a l s w h i c hh a sm a n ye x c e l l e n tp r o p e n i e ss u c ha sh i g hs p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n dp o r e v o l u m e ，h i g ht e m p e r a t u r ea n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，h i g he l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y ， h i g ha c i da n d a l k a l ir e s i s t a n c e ，g o o dc h e m i c a lr e s i s t a n c ea n d b i o c o m p a t i b i l i t y i t h a sb e e nm a i n l ya p p l i e dt og a sa n dl i q u i da d s o r p t i o ns e p a r a t i o np r o c e s s ，w h i c h h a sb e e nw i d e l yu s e da n db e c o m eo n eo ft h er e s e a r c hh o ts p o t s n o wa c t i v a t e d c a r b o ni sw i d e l yu s e di ng a sm a s k s ，g a ss e p a r a t i o nr e f i n i n g ，o r g a n i cr e c o v e r y , i n o r g a n i ci o n sa n dh e a v ym e t a li o n sr e m o v a l ，s e w a g ep u r i f i c a t i o na n ds oo n 。 a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho na c t i v a t e dc a r b o na d s o r p t i o np r i m a r i l yf o c u s e s o i lt h ep o r o s i t yw h i c hi s m a i n l yr e l a t e dt op h y s i s o r p t i o n a c t i v a t e dc a r b o n a d s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i ci sn o to n l yd e p e n d e do nt h ep o r o u ss t r u c t u r e ，b u ta l s o o nt h es u r f a c ec h e m i s t r yn a t u r e t h e r e f o r e ，c h e m i c a lm o d i f i c a t i o nw a sc a r r i e d o u to ft h es u r f a c et oi m p r o v ea d s o r p t i o np e r f o r m a n c e i nt h i sa r t i c l e ，f u n c t i o n a l p o l y m e r w a sp o l y m e r i z e di nt h ea c t i v a t e dc a r b o nh o l e st o p r e p a r e d p o l y m e r - a c t i v a t e dc a r b o nc o m p o s i t em a t e r i a l s t h em o d i f i e da c t i v a t e dc a r b o n m a t e r i a lc o m b i n e dw i t hf u n c t i o n a lp o l y m e rw i 也s p e c i a lg r o u p sh a sa d v a n t a g e s i np o r es t r u c t u r ea n dc o u l da d s o r bh e a v ym e t a li o n si nw a s t ew a t e r s ot h e s e v m a t e r i a l sh a v eb r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t s i n e l e c t r i c i t y , o p t i c s ，b i o l o g y , m e d i c i n ea n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf i e l d f i r s t l y , a c t i v a t e dc a r b o nw a sp r e p a r e du s i n gr i c eh s k w h i c hi sl o wi np r i c e a n dr i c hi nr e s o u r c e s ，a n dn a o ha sc h e m i c a la c t i v a t o r t h ef a c t o r so na c t i v a t e d c a r b o ni o d i n ea d s o r p t i o nv a l u ea n dt h ea c t i v a t e dc a r b o np r o d u c t i o nr a t ew e r e d i s c u s s e db ys o a k e d p r o p o r t i o n ，t h e a c t i v a t i o n m e t h o d ，t h e a c t i v a t i o n t e m p e r a t u r ea n dt h ea c t i v a t i o nt i m e w ep r e p a r e da c t i v a t e dc a r b o na sf o l l o w ：t h e d r y i n gr i c eh u s kw a sc a r b o n i z e da t4 5 0 。ci nn i t r o g e na t m o s p h e r ef o r4 h t h e n ， t h ec a r b o n i z e dp r o d u c tw a sh e a t e di nt h ep r e s e n c eo fs o d i u mh y d r o x i d e ( n a o h ： c = 3 ：1 ) a t4 0 0 。cf o r3 0m i n t od e h y d r a t et h em i x t u r e t h e r e a f t e rt h et e m p e r a t u r e w a sr a i s e dt o8 0 0 a n dt h i st e m p e r a t u r ew a sh e l df o r2h o u r st oa c t i v a t et h e 江苏大学硕士学位论文 c o m b i n a t i o n 。a tl a s tt h ea c t i v a t e dp r o d u c tw a sw a s h e dw i t hw a t e ra n d 出i e d t h e nw ef o u n dt h a ti t sn i t r o g e na d s o r p t i o n d e s o r p t i o ni s o t h e r m a li si v ，t h e s p e c i f i cs u r f a c e1 2 0 0 m 2 g ，t h ea v e r a g eh o l e d i a m e t e r3 8 n m ，a n dt h eh o l e s v o l u m e0 8 c m 3 g s e c o n d l y , w ee x p l o r e dt h em e t h o do fs y n t h e s i z i n gt h ep o l y m e ri nt h e a c t i v a t e dc a r b o nh o l e s ，a n dt h e nw es u c c e s s f u l l ym a d em e t h y lm e t h a c r y l a t e ( m m a ) i n - s i t up o l y m e r i z a t i o n i na c t i v a t e dc a r b o nh o l e sw i t hf r e e z i n ga e r a t i o n t h er e s u l t so ft e s tm e t h o d ss h o w e dt h a tm e t h y lm e t h a c r y l a t e ( m m a ) w a si n s i t u p o l y m e r i z e di na c t i v a t e dc a r b o nh o l e s t h r o u g ha n a l y z i n g ，t h e r ei sa b o u t 1 5 m m a p o l y m e r i z i n gi na c t i v a t e dc a r b o nh o l e s t h es p e c i f i cs u r f a c ea n dp o r e v o l u m eb e f o r ea n da f t e rp o l y m e r i z a t i o nh a sd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y ( f r o m8 4 8 4 m 2 gt o4 7 9m 2 g ，f r o m0 5 0 2 2c r n 3 g t o0 3 4 0 5c m 3 gr e s p e c t i v e l y ) t h e a d s o r p t i o ni s o t h e r mb e l o n g st ot y p ei v w i t ht y p ec h y s t e r e t i cc u r v e ( o rt y p eh 4 h y s t e r e t i cc u r v e ) t h i r d l y , a c r y l i ca c i dw a si n - s i t ud i r e c t l yp o l y m e r i z e di na c t i v a t e dc a r b o n h o l e sw i t hu l t r a s o n i cv i b r a t i o n t h ep o r o u sp o l y m e r - i n o r g a n i cc o m p o s i t ew a s p r e p a r e da n da n a l y z e db yi r ，n i t r o g e na d s o r p t i o nm e a s u r e m e n ta n dt g t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h eo p t i m u mp r o p o r t i o no fp o l y m e r i cm o n o m e rw a s1 ：1 ，t h e t e m p e r a t u r e8 0 。t h er e a c t i o nt i m e2 4 h t h ea d s o r p t i o no fc u 瓣o i la c t i v a t e d c a r b o na n dp o r o u sp o l y m e r - i n o r g a n i cc o m p o s i t ew e r ec a r r i e do u ta n dc o m p a r e d w i t h e a c ho t h e r t h ef a c t o mo na c t i v a t e dc a r b o nc u 2 + a d s o r p t i o nw e r ed i s c u s s e d b yp o l y m e rc o n t e n ta n dt h ev i b r a t i o nt i m e a n dw ef o u n d t h a tt h ea d s o r p t i o no f c u 2 + o na c t i v a t e dc a r b o nm a i n l yb e l o n g st oc h e m i c a la d s o r p t i o n t h em a x i m u m a d s o r p t i o nw a sa c h i e v e dw h e n t h ep o l y m e rc o n t e n ti sa p p r o x i m a t e l y2 0 t h e a d s o r p t i o nw a si n c r e a s e da sr e a c t i o nt i m eu n t i l2 0 h t h ea d s o r p t i o ni ss u i t a b l e l a n g m u i re q u a t i o n ，f r e u n d l i c he q u a t i o n a n dt h ep s e u d o 。s e c o n de q u a t i o n d y n a m i ce q u a t i o n f i n a l l y , w ep r e p a r e dp o l y ( 2 - a c r y l a m i d o 一2 一m e t h y lp r o p a n es u l f u r i ca c i d ) 一a c t i v a t e dc a r b o nc o m p o s i t em a t e r i a l su s i n gu l t r a s o n i cv i b r a t i o na n df r e e z i n g a e r a t i o n t h e nw ea n m y z e dt h ee f f e c t so fa d s o r p t i o np r o p e r t i e sa n dt h es e l e c t i v e a d s o r p t i o no f 两2 + 、c u 2 + a n dz n 2 + o np a m p s r a c 。p a m p s 。r a c s t i l lr e m a i n s v i i 江苏大学硕士学位论文 h i g hs p e c i f i cs u r f a c eo f8 3 8 耐| ga n dh i g hp o r ev o l u m eo f0 5 6 c m 3 g 。t h er e s u l t s h o w e dt h a ta d s o r p t i o nc a p a c i t yb e c a m ef a s tw i t ht i m e ，a n dr e a c h e de q u i l i b r i u m a ta b o u tt w oh o u r s t h ee q u i l i b r i u ma d s o r p t i o n so fa r e2 7 5 、9 2 和8 3 m g g r e s p e c t i v e l y , a n df i t t i n gd a t aw i t hp s e u d o s e c o n do r d e rk i n e t i c se q u a t i o n t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tp s e u d o s e c o n do r d e rk i n e t i c se q u a t i o nc o u l de x p l a i nt h e a d s o r p t i o np r o c e s sa n d t h er u l e so ft h e ma r es a m ew i t he a c ho t h e r t h er e s u l t so f a d s o r p t i o ni s o t h e r me x p e r i m e n ts h o w e d t h a ta d s o r p t i o n so fp b 2 + 、c u 2 + a n dz n 2 + b e c a m eh i g e ra sb i g g e ra st h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fp b ( n 0 3 ) 2 、c u ( n 0 3 ) 2 和 z n ( n 0 3 ) 2f i n a l l y ，a n da p p r o a c h e de q u i l i b r i u m w ef i t t e dd a t aw i t hl a n g m u i r e q u a t i o na n df r e u n d l i c he q u a t i o n ，a n df o u n db o t ho ft h e mc o u l df i td a t aw e l l t h e r e s u l t so fp h e x p e r i m e n ts h o w e dt h a ta d s o r p t i o n so fp b 2 + 、c u 2 + a n dz n 2 + b e c a m e h i g e ra sb i g g e ra st h ep hv a l u e ，a n da p p r o a c h e de q u i l i b r i u ma tl a s t 。t h eo p t i m u m p h v a l u ea l e5 5 、5 5a n d6 5r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t so fs e l e c t i v ea d s o r p t i o no f p b 孙、c u 2 + a n dz n 2 + o np a m p s r a cs h o w e dt h a tt h eo r d e ro fa d s o r p t i o ni s ： p b 2 + c u “ z n 2 + t h es e l e c t i v ea d s o r p t i o no fp b 2 + o np a m p s r a ci s v e r y g o o d , a n dw ec a n u s ep a m p s r a ct os e l e c t i v e l yr e m o v ep b 2 专i ns o l u t i o n c o n t a i n i n gp b “、c u 2 + 和z n 2 + s i m u l t a n e o u s l y k e yw o r d s ：a b s o r b e n t ；a c t i v a t e dc a r b o n ；f u n c t i o n a lp o l y m e r ；c h e l a t e d a b s o r b e n t ；c h e m i c a la d s o r p t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文俸者完全了勰学校肖关保餐、使震学位论文的规定， 同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阕。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分感容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段傈存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 傈密口，在年解密盾适用本授权书。 不保密口尊 学位论文作者签名：熬际知 一年；爵2 筠 冬 嗡 ；，岛 辖 ， 签 褥 雅 月 畦辞 ， 捌 涵 剥 年 播呷 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年 月日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着科学技术水平和人们生活水平的飞速提高，在带给人们便捷和舒适的同时，也 产生了越来越严重的环境污染，环境污染保护越来越受到人们的重视，工业废水处理是 环境保护的重大任务之一。机械加工、矿由开采、钢铁及有色金属的冶炼和部分化工企 业，都产生大量含重金属离子的废水。如果未经处理或处理不达标，就不能排放这些废 水，否则就会造成环境污染。自从2 0 世纪5 0 年代在r 本出现水俣病和骨痛病，并且查 明这是由于镉、汞污染和锡污染所引起的“公害病 以后，重金属的环境污染问题受到 入能极大的关注。据相关数据显示，近几年中小企业的污染物排放总量增长较快，在全 国污染物排放总量中的比例迅速提高，并成为中国环境污染的主导因素。随着城市居民 环保意识的不断增强，一些城市周边的污染企业开始将阵地转移至农村f 矧。由于缺乏监 测手段，同时借助某些地方领导片面追求经济增长的心理，很多企业污染超标也照样能 开足马力生产。松花江重大水污染事件、淮河上百公里污染团、河南平西成片的癌症村、 贵媸透部的砷中毒、责她的氟中毒，直至徽县水体再遭污染触动了人们一直紧绷的脆弱 神经。 在各种环境污染里面，水污染最为严重，这是由于大量有毒有害物质进入水体，直 接危害人类健康，水污染成为制约可持续发展的主要原因之一。废水治理常用方法有深 层过滤、化学氧化还原、吸附、离子交换、膜分离，其他相转移分离法、厌氧生化法等。 但是应用最广泛最有效的还是吸附法和离子交换法f 3 】。 活性炭作为吸附法常用的材料，魏隙结构发达，具有丰富的微孔和介孔结构，因此 具有很大的比表面积，对气体、溶液中的无机或有机物质及胶体颗粒等都有很强的吸附 麓力，具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，可以耐强酸、强碱，经受水浸、离温、 高压作用，不易破碎。与其他吸附剂相比，它还是一种绿色环保吸附材料。可以利用它 的物理吸附，化学吸附，生物吸附，催化，氧化和还原等性能，去除废水中多种污染物 质如有机杂质，金属离子等。除此之外，它还广泛应用于分离有害气体、催化剂载体、 蓄积电能、贵重金属提取、环境污染治理及医疗等领域l 。近年来美日欧等国家竟楣研 究各种用途的超级活性炭，将其应用于宇宙航行、海洋作业和尖端科学等领域【研。 江苏大学颈士学位论文 霜离子交换法选用最多的材料是吸附分离高分子材料，包括嘏附树脂、离孑交换树 脂和螫合树脂。其中螯合树脂以其吸附量大，并且不同的螫合基团对不同的金属离子具 有选择吸附麓力，故螫会耪脂螯合金瘸离子的选择缝院一般的离子交换树艟要高得多， 对金属离子其有特殊选择螯合能力的优势使其越来越广泛地被应用在回收处理含有贵、 重金属离子酶废水上r r , 8 。 1 ，2 活性炭吸附剂 活性炭是一种含碳物质的颗粒和粉末，主要是生物有机物质( 如煤、石油、沥青、 本属、果壳等、l 经炭化和活化褥到的疏水馁吸附剂。由予活性炭具有发达的琵结构和巨 大的比表面积，使其具有吸附、催化能力，物质在其孔隙内积聚，并保持物理和化学的 稳定性等特征。可以在广泛的p l 差值范露内与多静溶剂在高温高压下使用。毽前，活性 炭已广泛应藤予环境保护、化学工业、食品加工、湿法冶金、药物精制、军事化学防护 等各个领域，是雷民经济和蔼防建设缓及入们曩常生活必不可少麓产品珏l 。 活性炭在水处理中应用主要有以下三个方面。第一，污水源的净化，用活性炭吸附 承中有机物、染料色素、臭味物质和涵类物质等；第二，有枫工业废水处理，南于活性 炭对水中的有机物具有突出的去除能力，对一些难以被生物降解的有机物更有独特的去 除效果露被用予刮革废水处理、造纸染料化工废水处理、焦讫废东处理及其他有枫泼水 处理中。第三，无机工韭废水处理，某些活性炭对于废水中无机重会属离子具有一定的 选择吸附能力l 掺谰。由于活性炭材料在治理环境污染方面照示瞧的诱入的醣景，人们对 活性炭的研究和开发极为重视。我国活性炭的年产量已位居世界第二，仅次于美国，丽 年出髓量屠世界第一，是活性炭生产大霭。 豳前我国生产活性炭的原料主要是煤、木屑以及果壳和果核等，随着工业技术的发 展，用来源广泛、质优价廉的稻壳、秸枵等农韭废弃物割备活链炭豹方法也越来越受到 人们的重视。我国是农业大国，稻壳资源相当丰富，但利用程度很低，大部分作为废物 丢弃或作为低级燃料使用。这不仅污染环境，丽且造成了烫源的浪赞。基翦稻壳盼开发 剥用已引起人们的重视。很多研究表明，稻壳是制备活性炭的良好材料f 1 5 ，1 6 1 。并且稻壳 具有硅含量大、多孔性、质地耜糙和微孔丰富等特点，生产的活性炭对多种有机化合物 都有较强吸附能力，虽不含有有害杂质( 如铅、砷) ，可用于水处理等多种行业，具有曛 大的市场潜力，稻壳原料充足、价格低廉、由此生产的活性炭产品成本低，既节约了能 源又实现了废物资源化，符合可持续发展要求，具有较大的实用价值和应用随景。活性 2 江苏大学硕士学位论文 炭处理含重金属废水，主要用于工业废水的三级处理阶段，与其它的处理方法结合起来， 能墩得较好的效果。目前已经应用且比较成熟的方面是电镀工业上处理含铬、镉、铜和 铜氰废水。 1 。2 。1 活性炭的性质及吸附原理 活性炭是一种非极性吸附剂，外观为暗黑色，有粒状、粉状和纤维状三种。活性炭 主要成分除含碳外，还含有少量的氧、氢、硫等元素，以及水分、灰分。它具有良好的 吸附性能和稳定的化学性质，可以耐强酸，强碱，能经受水浸、高温、高压作用。活性 炭之所以具有良好的吸附性能，是因为它有巨大的比表面积和特别发达的微孔。通常它 的比表面积离达5 0 0 2 0 0 0m 2 g ，这是活性炭吸附能力强、吸附量大的主要原因。当然， 比表面积相同的炭对同一物质的吸附量有时也不尽相同，这与活性炭的内孔结构和分布 以及表面化学性质有关活性炭的吸附以物理吸附为主，但由于表面含氧基团的存在，也 可能发生一些化学选择吸附 4 , 6 1 。活性炭是目前废水处理中应用最广的吸附剂，其中粒状 炭困工艺简攀，操作方便，用量最大。使用的粒状炭多为煤质或果壳炭f 1 4 1 。 当物质在固体表面被吸附时，固体叫吸附荆，被吸附的物质叫吸附质。实验表明， 对于一个给定的体系，达到平衡时的吸附量与温度等有关，通常对有机物分子，吸附量 随温度的升高而降低。吸附一般分为化学吸附和物理吸附，假如在吸附质和吸附荆之间 的结合力很强，则吸附主要靠化学吸附，为不可逆性的，假如结合力很弱，则吸附靠范 德华力，这种吸附为物理吸附。用这种方法吸附的分子很容易被移开，即脱附( 解吸) ， 只要改变平衡条件，如降低溶液的平衡浓度，脱附即可发生，所以物理吸附是可逆的。 两类吸附力性质上的不同，导致物理吸附和化学吸附特征上的一系列差异，表2 - 1 列出 了其中主要的几项。处于固体表面的原子，壶于周圈原子对它的作用力不对称，即原子 所受的力不饱和，因而有剩余场，可以吸附气体或液体分子。固体表面可以对气体或液 体进行吸附的现象早已为人嚣】所发现，并在工业生产中利用这种性能。例如制糖工业中， 用活性炭来处理糖液，以吸附其中杂质，从而得到洁白的产品。近几十年来吸附的应用 范围越来越广，很多情况下剩用吸附眈其它方法简便省事，而且产品质量较好。人们利 用吸附回收少量的稀有金属，对混合物分离、提纯、回收溶剂、处理污水、净化空气以 及进行吸附光谱等等。各种类型的吸附剂广泛应蠲于工业生产，吸附业已成为重要的化 工单元操作之一【4 1 9 1 。 3 江苏大学硕士学位论文 表1 - i 吸辩物质戆傀学吸附与戆理吸附的特点魄较 t a b l e1 - 1c o m p a r i s o no fc h e m i c a la n dp h y s i c a la d s o r p t i o n 1 2 2 活性炭的制备及改性研究 活蠖炭的主要制备方法是物理活纯法和化学活锈二法。物理活忧法是将原料先进行炭 化，然后在6 0 0 - 1 2 0 0 下对炭化物进行活化，该法常用的活化性气体是水蒸气和二氧化 碳，其活亿视理是主要通过h 2 0 、c 0 2 与无定型碳反应来进行活纯，其工艺特点是活纯 温度高( 一般在9 0 0 c 左右) ，设备投资大，但对环境污染较小f 皴2 。化学活化法是将 原料炭化后，炭化物与化学药品以一定院例混合、浸渍一段时闯螽进行活化，通常使用 的活化剂有n a o h 、k o h 、z n c l 2 及h 3 p 0 4 等。化学活化法的特点是活化温度较低( 一 般在5 0 0 - 8 0 0 c ) ，易对产品的孔结构进行调整l 蠲。僵存在两大缺点：对设备腐蚀性强； 活性炭产品中易残留活化剂，需要进一步处理。n a o h 活化法是2 0 世纪7 0 年代发展起 来的种活化法嘲，由此法制备的活性炭眈表面积高，中孔和微魏分毒集中，孔结构可 以控制。 以稻壳为原料，n a o h 为活化剂，制备活性炭的工艺流程如图l 。l 所示。所制活性 炭的比表面积和孔径分布等性能受浸渍比( 即活化剂与炭化物质量比) 、活化方式、活 毒艺温度、活纯时间等因素鹩影响。 4 江苏大学硕士学位论文 图1 - 1 活性炭制备下艺流秘图 f i g 。1 - lt h ep r e p a r a t i o np r o c e s so fa c t i v a t e dc a r b o n 由于稻壳成分复杂，主要为二氧化硅、木质素和纤维素，制备活性炭时需将稻壳炭 化除去挥发成分，是在隔绝空气条件下加热至4 0 0 6 0 0 。炭化也称热解，有两个作用： 一是使稻壳分解释放出水气、一氧亿碳、二氧化碳等气体，第二使稻壳分解成碎片，并 重新集合成稳定的结构刚。随着炭化温度的升高，稻壳中的纤维素和木质素等分子解聚 以挥发物的形式逸凄，纤维素经脱水生成醇酮型互变异构中间体，木质素缩合成芳环结 构。但是炭化稻壳中的碳含量是随着炭化温度的升高而下降的，这因为温度升高，氯化 速度将会明显提高，从而使大部分有机物与氧进行反应。随着碳含量的降低，s i 0 2 含量 却逐步提高，当炭化温度达到8 0 0 时，所得到的炭化物中二氧化硅的含量达到8 5 以 上，但此时的炭化物已不具备制备活性炭的价值了闷。所以炭化温度的高低会对活性炭 的结构产生影响。 稻壳中的灰分含量较高，而活化后全部灰分都会保存下来并寓集。采用n a o h 溶液 对炭化物进行活化处理，在活化过程中，炭化物与n a o h 发生如下反应： 2 n a o h n a 2 0 + 1 2 0 ( 1 1 ) c + h 2 0 一h e + c o ( 1 2 ) c o + h 2 0 h 2 + c 0 2 ( 1 3 ) n a 2 0 + c 0 2 - - n a 2 c 0 3 ( 1 - 4 ) n a 2 0 + h 2 2 n a + h 2 0 ( 1 5 ) n a 2 04 - c 一2 n a + c o ( 1 6 ) n a 2 c 0 3 + 2 c 一2 n a + 3 c o ( 1 7 ) n a 2 0 + s i 0 2 一n a 2s i 0 3 ( 1 8 ) 5 江苏大学硕士学位论文 随着n a o h 簏量增加，活优反应速度加快，在炭化物中形成蘼微孔数露增加，困面 比表西积增大。但当漫渍比过大时，过量的n a o h 与先生成的微孔结构的碳原子层间隙 爱应，会使炭零季料继续烧蚀，孔径变大，因此，浸渍琵过大孔容积帮沈表谣i 积都会降低 俐。当活化温度较低时，活性炭的比表面积和孔容积几乎不随时间的改变而变化，因为 活他达到一定程度后趋予稳定，活他剂对炭诧物的刻蚀趋于稳定，孔蛉数量与孔径均不 发生改变，而且n a 的沸点较高，反应( 1 5 ) ( 1 7 ) 反应生成n a 较溺难，烧蚀相对较弱。 而当活化温凄较高时，初始阶段以形成新孔为主，比表嚣积和孔容积逐渐增大，随着活 化时闷延长，反应进萼亍一定时馘屠，活他荆进入碳层内部深度活纯，同时先生成的一部 分徽孔结构可被扩大，进而弓| 起孔径变大、院表面积降低i 2 7 l 。 活性炭的表面化学性质改性是指通过一定的方法改变其表武寅能团及周边氛围的 构造，使之成为吸附过程中翡活性点，献丽可以控制其亲求，疏水性能以及与吸附质的结 合麓力。目前，活性炭表面氧化改性主要是用强酸来改变表面化学基团，常用的氧化荆 有h n 0 3 、h 2 s 0 4 、h c l 、h c l o 、h f 和h 2 0 2 等。n e v s k a i a 等i 蠲用h n 0 3 和h 2 0 2 试剂 对活性炭进行改性处理，s a l a m e 等1 2 9 l 用h 2 s 0 4 ，c n h , h s 0 4 处理过的活性炭对水溶液中 苯酚进行吸附，探讨了活性炭表面化学能与表面结构特性对吸附的影响，发现改性爱表 面含氧基团含麓增加，减弱了对急性较弱的酚分子的吸附作用。活性炭表瑶还原改性主 要采用碣、n 2 和强碱对其进行高温处理。k r i s z t i n a 等闲研究了n 2 处理过的活性炭对溶 液中苯酚和三氯苯酚的吸附能力，万福成等p l l 采用氨水、苯胺等对活性炭进行改性处理， 消除了表面的部分阴性基团。涯性炭表鬣受载改性露以用含有金属离子或化合物浸渍活 性炭的方法来进行。d a i f u l t a h 等f 3 2 】将活性炭浸渍在c u ( n 0 3 ) 2 溶液中，用来吸附二甲苯， 发现随着金属浸渍量的增加，活性炭对二甲苯吸附量逐渐增加。 至于剥用聚合物修饰活性炭孔表露，霹嚣还没有文献介绍将不键髑单体聚合在活性 炭孔内的有效方法。2 0 0 3 年，r y o o 3 3 j 利用渗透。聚合的方滋在有序介孔炭管内附着了聚 苯乙烯，大大提高了所褥复合材料的抗枫械压缩性，但是聚合物和介孔炭管没有成键的 相互作用，形虢和聚合状态无法控制。所以本文的研究舀标是进行功能性多孔聚合物 活性炭纳米复合材料魏设计和组装，割备出既保持较高比表瑟积、微观的内部孔通道， 又具餐特殊基团功能性聚合物的材料。 6 江苏大学硕士学位论文 1 。2 。3 活性炭的应用研究进展 作为一神优质的吸附剂，活性炭具有独特的孔隙结构和表面官能霆，具有足够的化 学稳定性，机械强度及耐酸，耐碱，耐热的性能。利用活性炭的吸附能力，活性炭已经 广泛应用于气相和液相的吸附分离过程l 蛾n l ，在气相吸附方面被用作防毒面具、防护服、 分离精制气体等，在液相吸附方面用途也很广泛，如精制糖的脱色，西药的脱色精制、 去除原料药的杂覆、水溶液的净化中等，工监上还焉来豳收有机滚荆。活性炭在水处理 中应用主要是以下三个方面：( 1 ) 污水源的净化，用活性炭吸附水中有机物、色素、臭 味、油等；( 2