煅烧法制备凹凸棒石碳复合材料

1、煅烧法制备凹凸棒石/碳复合材料指导老师： XXX学生： XXX学号： XXX时间： 2013/06/09课题背景1.随着经济社会的发展，我国的废水排放量也在急剧地增加,其中有机污染占了很大的比例，原水中检出致癌、致畸、致突变的“三致”有机物在100种以上1。常规处理工艺(化学氧化法、膜分离技术、蒸汽法、活性碳吸附法、生物处理技术等)已经力不从心。开发新的有机废水的深度处理技术和廉价的新材料，已成为一项非常重要和迫切的新课题。1郭志仪，姚慧玲中国工业水污染的理论研究与实证检验J审计与经济研究，2001,26(5)，97-103课题背景2.凹凸棒石又名坡缕石，属海泡石族，是一种廉价且储量丰富的具有

2、层链状结构的含水富镁铝硅酸盐粘土矿物2。晶体理想化学式：Mg5Si8O20(OH)2(OH2)44H2O。其较大的比表面积、表面的物理化学结构以及离子状态等使凹凸棒石粘土具有良好的吸附特性。但凹凸棒石表面具有强亲水性，限制其在吸附领域的应用。图1 凹凸棒石晶体结构和晶体内孔道分布图2 陈天虎，徐晓春，岳书仓苏皖凹凸棒石粘土纳米矿物学及地球化学M科学出版社，北京，2004：190192课题背景 3.现有的技术是对凹凸棒石进行亲有机改性。目前凹凸棒石有机改性剂较常用的是表面活性剂和偶联剂。然而表面活性剂和偶联剂改性法存在改性方法繁琐、成本高等缺点。 4.葡萄糖是一种目前使用较多,水溶性好,并且价格

3、较低廉的碳源。如能以葡萄糖为碳源，通过煅烧法制备凹凸棒石碳复合材料，提高对有机污染物的吸附效果，无疑是一个更经济的选择。相关研究1.吴雪平，盛丽华，陈天虎等以凹凸棒石粘土和葡萄糖为原材料，采用水热法制备了凹凸棒石/C纳米复合材料。2.庆承松，宋浩，陈天虎等以凹凸棒石黏土和废活性白土为原材料，通过铁盐水解共沉淀和在氢气气氛下程序升温煅烧的方法，制备廉价的凹凸棒石/-Fe2O3/碳纳米复合材料。3.陈冬梅等将有机物A(树脂类)与凹凸棒石共混，在隔绝空气情况下低温煅烧，得到一种新型碳化改性凹凸棒石复合材料。4. Pollard、Tsai、Leboda等高温热处理废白土，发现废白土中有机质高温碳化，制

4、备了具有一定官能团的凹凸棒石/碳复合材料。课题内容研究论文阐明如下问题：（1）以葡萄糖为碳源，采用煅烧法制备凹凸棒石碳复合材料，考察煅烧过程对于有机凹凸棒石结构（尺寸形貌，官能团和晶体结构等）的影响。 （2）研究了不同煅烧温度下制得的凹凸棒石碳复合材料作为吸附剂处理苯酚废水的效果。实验思路 图2 实验路线图实验方法1. 有机凹凸棒石的制备采用浸渍法,将凹凸棒石浸渍于有机小分子溶液中，主要为葡萄糖溶液,使凹凸棒石表面负载有机小分子，然后置于鼓风干燥箱内充分干燥，以获得有机凹凸棒石。2. 有机凹凸棒石的煅烧处理 将吸附了葡萄糖的凹凸棒石在180-500下煅烧，考察煅烧温度对产物微观结构的影响,尽可

5、能使有机小分子在凹凸棒石孔道内成碳,以获得真正意义上的凹凸棒石/碳纳米复合材料。实验方法3 苯酚吸附实验 取不同温度下煅烧后的凹凸棒石碳复合加入苯酚溶液恒温振荡至吸附平衡后，用4-氨基安替比林分光光度法测定苯酚残余含量。比较不同温度下煅烧的凹凸棒石的吸附效果。4 表征及分析采用SEM、FTIR、XRD等表征手段，对所制备的凹凸棒石/碳纳米复合材料的微观结构及组成进行分析表征。有机凹凸棒石的煅烧处理温度/ M1/g M2/g收率 /%粉末颜色1801.0000.80280.2棕色2001.0000.78378.3棕色2201.0000.77177.1棕黑色3001.0000.72172.1黑色4

6、001.0000.66666.6黑色表1 葡萄糖改性凹凸棒石在不同温度下煅烧的质量变化v1.随着煅烧温度升，收率逐渐降低，主要原因是随着温度升高，更多的水分被脱除，以及更多的有机物被碳化。v2.随着煅烧温度升高，产物颜色加深，表明碳化效果越来越好。XRD 图3 XRD图谱XRD从xrd数据中可以看出，样品xrd谱图基本符合凹凸棒石的峰型，2=8.352,13.765,16.285,19.852,对应的基底间距d110=1.058nm,d200=0.643nm,d130=0.544nm,d040=0.447nm。在220煅烧至400的过程中，随着温度的升高，凹凸棒石特征衍射峰无明显变化。在该温度

7、区间内，晶体结构未发生明显改变。于500下煅烧后，凹凸棒石的特征衍射峰的强度明显减弱。表明凹凸棒石的晶体结构已经开始破坏，发生了明显的变化。FESEMabc图4 凹凸棒石原矿和于200和400下煅烧后的凹凸棒石碳复合材料的FESEM照片：(a，d)凹凸棒石原矿；(b，e）200煅烧后的凹凸棒石碳复合材料；(c,f)400煅烧后的凹凸棒石碳复合材料；defFESEM凹凸棒石原矿晶体较长，而煅烧后明显变短。原矿中可以看到较多的凹凸棒石晶体呈平行的紧密聚集，而煅烧后的凹凸棒石显微结构更松散且不规则。 TEM由图5可以看出，凹凸棒石在400煅烧后，为针棒状结构，但晶棒较短，部分棒晶上有附着物。图5 4

8、00下煅烧后的凹凸棒石碳复合材料的TEM照片FTIR40003500300025002000150010005000020406080100T(%)V(cm-1)361535523432165611971027984796642510475A图6 凹凸捧石原矿的红外光谱图图A为凹凸棒石原矿的傅立叶变换红外光谱图。各谱峰或谱带归属如下：3615 cm-1，3552 cm-1和3432 cm-1是凹凸棒石结构中不同羟基伸缩振动；1656 cm-1是羟基的弯曲震动吸收；1197 cm-1是(Mg，A1)-O键的伸缩振动引起的, 1027cm-1属于Si-O-Si键的伸缩振动吸收峰，983cm-1为S

9、i-O-Mg的不对称伸缩振动峰， 796cm-1归属于石英中Si-O-Si的对称伸缩振动吸收峰， 642 cm-1，510cm-1，475cm-1是凹凸棒石的特征红外吸收。从左图中可以看出，与凹凸棒石原矿的红外光谱图相比，在3615-3432cm-1的三处羟基的伸缩振动峰强度变弱，温度达400时，在此附近仅出现3602cm-1的羟基伸缩振动吸收峰，这是因为，随着温度的升高，凹凸棒石的表面水及吸附水脱除，发生了脱羟基作用。2912cm-1对应于饱和CH伸缩振动吸收，2855cm-1为-CH2对称伸缩振动吸收峰，说明通过煅烧，葡萄糖在凹凸棒石上碳化，形成了凹凸棒石/碳复合材料。FTIR图7 凹凸捧

10、石/碳复合材料的红外光谱图苯酚吸附样品样品吸光度吸光度苯酚最终含量苯酚最终含量(mg/L)去除率去除率天然凹凸棒石天然凹凸棒石0.0973.4625.0%未煅烧有机凹凸棒石未煅烧有机凹凸棒石0.0873.0932.8%180180煅烧有机凹凸棒石煅烧有机凹凸棒石0.0802.8438.2%200200煅烧有机凹凸棒石煅烧有机凹凸棒石0.0782.7739.8%220220煅烧有机凹凸棒石煅烧有机凹凸棒石0.0692.4546.8%300300煅烧有机凹凸棒石煅烧有机凹凸棒石0.0551.9457.8%400400煅烧有机凹凸棒石煅烧有机凹凸棒石0.0461.6264.8%500500煅烧有机凹

11、凸棒石煅烧有机凹凸棒石0.0471.6664.2% 表2 煅烧温度对吸附效果的影响苯酚吸附1.进行有机改性后，凹凸棒石对苯酚的吸附效果有了明显的改善。改性后改变了凹凸棒石表面的极性，对非极性分子的亲和力有了显著增强。2.随着煅烧温度的增大，凹凸棒石/碳复合材料对水中苯酚的去除率也逐步升高。原因可能是因为碳化的程度逐渐升高。3.当煅烧温度达到400时，去除率达到了64.8%，比原矿的比凹凸棒石原矿对苯酚处理效果(25.0)增大了2.5倍。4.而随着温度的继续上升，去除率不再明显增大。原因可能是因为凹凸棒石晶体结构被碰坏。结 论 本论文主要围绕煅烧法制备凹凸棒石碳复合材料进行研究，探讨了温度对复合材料制备的影响，并研究了苯酚废水处理的性能研究。所得结论如下： 1、400以前，煅烧温度的升高不会对凹凸棒石的晶体结构造成影响；而400以后，随着煅烧温度的增加，凹凸棒石晶体结构开始遭到破坏。煅