磁性分级多孔碳材料的合成及吸附性能研究【字数：13797】
本文以大自然常见的蛋清为碳源(原料储备丰富)，以氯化钠为模板来制作多孔碳、复合硝酸镍作为磁性粒子，利用XRD、SEM、TEM、BET等现代分析测试方法，对所制备的磁性多孔碳进行产物、结构、形貌进行了表征，结果表明制得的样品呈3D蜂窝状分级多孔结构。将其应用于吸附处理水中有机污染物刚果红，系统研究了吸附剂用量、污染物浓度、吸附时间及温度对吸附行为的影响。动力学模型及吸附等温线拟合结果表明，吸附行为符合伪二级动力学及朗缪尔等温模型，说明吸附过程为单层吸附。热力学结果表明该吸附过程为自发的物理化学吸附。拟合结果显示磁性分级多孔碳在313K温度下最大吸附量达到217.17 mg/g，表明其对刚果红具有良好的吸附性能。这一方法具有简单、环保等优点，在制备分级多孔碳吸附剂方面具有一定的理论研究及应用价值。
目录
1. 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 多孔碳材料的概述 1
1.2.1 多孔碳材料的分类 1
1.2.2 多孔碳的特性 2
1.2.3 多孔碳材料的制备方法 2
1.2.4 多孔碳材料的应用 4
1.2.5 多孔碳材料在污染物处理方面的应用 5
1.2.6多孔碳材料现在存在的问题及改进的方法 5
1.3 冷冻干燥法制备多孔碳材料 6
1.3.1 冷冻干燥法的合成原理 6
1.3.2 冷冻干燥法的特点 6
1.4 本课题研究目的及主要内容 6
1.4.1 主要目的 7
1.4.2 主要内容 7
2.实验部分 8
2.1 主要试剂和仪器设备 8
2.2 磁性分级多孔碳材料制备研究 9
2.2.1 实验过程 9
2.2.2 磁性分级多孔碳材料的微观形貌表征 9
2.2.3 磁性分级多孔碳材料的吸附性能表征 9
3.结果与讨论 11
3.1 磁性分级多孔碳材料的XRD结果分析 11
3.2 磁性分级多孔碳材料的SEM结果分析 11
3.3 磁性分级多孔碳材料的TEM结果分析 12
3.4 磁性分级多孔碳材料 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
的BET结果分析 13
3.5磁性分级多孔碳材料的吸附性能结果 14
3.5.1不同磁性分级多孔碳的量对吸附性能的影响 14
3.5.2 不同温度对于吸附性能的影响 15
3.6 磁性分级多孔碳的吸附动力学研究 16
3.7 磁性分级多孔碳的吸附热力学研究 18
4.结论 21
参考文献 22
致谢 24
绪论
1.1 引言
随着我国经济的稳步发展，工业化的进程的不断深入，染料废水对于环境来说已经成为了一个亟待解决的污染问题。多孔碳材料是以碳为主体的一种多孔结构材料，具有比表面积大、丰富的孔洞结构、吸附性能好、化学结构稳定等优异性能，广泛应用于军事飞机隐身材料、储氢材料、锂离子电池、工业污水处理、超级电容等方面。在污水处理方面应用更加广泛，利用比表面积大、吸附性能好的特性，在废水处理方面，使用吸附法是简单直接效率高的方法。多孔碳虽然有这么多优异的性能和优势，但是当多孔碳加入到污水中进行吸附时，使用的多孔碳就与水分散后无法回收利用，这就造成了资源的浪费和成本的增加。本课题就在此基础上对多孔碳进行了改造和研究，以多孔碳为模板，复合上磁性粒子利用磁性粒子的磁性可以使用磁性物理的方法来分离水和多孔碳因此作出了磁性分级多孔碳材料。
1.2 多孔碳材料的概述
多孔碳材料(porous carbon material)是以碳素为骨架主体的一种多孔材料，具有有比表面积大、孔隙发达、化学稳定性好和优异的导电性[1]，并且多孔碳材料的原材料来源广泛资源丰富、价格低廉、制作过程简便、可以进行大规模的生产因此被广泛应用于能源的储存与转换、催化和大分子吸附等多项领域[2]，一直备受到国内外的科技研究人员的青睐。根据国际上的对孔径的公认定义，可以按照多孔碳的孔径大小可以分为3种类型：微孔碳材料(<2 nm)、介孔碳材料(介于2~50 nm)、大孔碳材料(>50 nm)[3]。近几年研究发现单一类型的孔洞结构材料不能够满足现阶段的高性能、高效率的市场应用需求，由此根据我们所需要的性能和应用需求，来对多孔碳进行人为的改造和设计已经成为多孔碳材料的研究热点，因此多级多孔碳材料的开发和应用应运而生。
1.2.1 多孔碳材料的分类
按照孔径的大小来分类：根据国际上的对孔径的公认定义，可以按照多孔碳的孔径大小可以分为3种类型：微孔碳材料(<2 nm)、介孔碳材料(介于2~50 nm)、大孔碳材料(>50 nm)。
按照多孔碳材料的产品类型来分类：
碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷起的无缝、中空的管体[4]。
碳纤维由碳元素组成的一种特种纤维[5]，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向因此沿纤维方向有很高的强度和模量，所以具有耐高温、抗老化、导电、导热、化学性能稳定的性能。
碳球根据尺寸的大小将碳球分为1.富勒烯族系和洋葱碳，其具有封 闭的石墨层结构，直径在2~20 nm之间。2.未完全石墨化的纳米碳球[6]，直径在50 nm~1μm之间。3.碳微珠，直径在11 μm以上。根据碳球的结构形貌可以分为空心碳球、实心碳球、多孔碳球、核壳碳球和胶装碳球等[7]。
1.2.2 多孔碳的特性
由于多孔碳是由碳原子为骨架主体的孔状结构，因此他具有比表面积大、孔径丰富、化学性质稳定、导电、导热、吸附性能好、还可以作为材料的增强体、稿化学惰性、低密度[8]，广泛应用于气体、液体吸附、水净化。电化学双层电容器、电极材料、生物传感器和太阳能电池[9]。
1.2.3 多孔碳材料的制备方法
最近几年，国内外的科技研究人员一直致力于如何制备出比表面积大、结构稳定、吸附性能好、性能优越的磁性分级多孔碳材料，制备方法和生产工艺决定了该材料是否可以投入实际的生产应用与之后磁性分级多孔碳材料的发展和应用都至关重要，因此制备方法越简单，原材料越丰富，越可以体现本课题研究的材料越有生命力。
目录
1. 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 多孔碳材料的概述 1
1.2.1 多孔碳材料的分类 1
1.2.2 多孔碳的特性 2
1.2.3 多孔碳材料的制备方法 2
1.2.4 多孔碳材料的应用 4
1.2.5 多孔碳材料在污染物处理方面的应用 5
1.2.6多孔碳材料现在存在的问题及改进的方法 5
1.3 冷冻干燥法制备多孔碳材料 6
1.3.1 冷冻干燥法的合成原理 6
1.3.2 冷冻干燥法的特点 6
1.4 本课题研究目的及主要内容 6
1.4.1 主要目的 7
1.4.2 主要内容 7
2.实验部分 8
2.1 主要试剂和仪器设备 8
2.2 磁性分级多孔碳材料制备研究 9
2.2.1 实验过程 9
2.2.2 磁性分级多孔碳材料的微观形貌表征 9
2.2.3 磁性分级多孔碳材料的吸附性能表征 9
3.结果与讨论 11
3.1 磁性分级多孔碳材料的XRD结果分析 11
3.2 磁性分级多孔碳材料的SEM结果分析 11
3.3 磁性分级多孔碳材料的TEM结果分析 12
3.4 磁性分级多孔碳材料 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
的BET结果分析 13
3.5磁性分级多孔碳材料的吸附性能结果 14
3.5.1不同磁性分级多孔碳的量对吸附性能的影响 14
3.5.2 不同温度对于吸附性能的影响 15
3.6 磁性分级多孔碳的吸附动力学研究 16
3.7 磁性分级多孔碳的吸附热力学研究 18
4.结论 21
参考文献 22
致谢 24
绪论
1.1 引言
随着我国经济的稳步发展，工业化的进程的不断深入，染料废水对于环境来说已经成为了一个亟待解决的污染问题。多孔碳材料是以碳为主体的一种多孔结构材料，具有比表面积大、丰富的孔洞结构、吸附性能好、化学结构稳定等优异性能，广泛应用于军事飞机隐身材料、储氢材料、锂离子电池、工业污水处理、超级电容等方面。在污水处理方面应用更加广泛，利用比表面积大、吸附性能好的特性，在废水处理方面，使用吸附法是简单直接效率高的方法。多孔碳虽然有这么多优异的性能和优势，但是当多孔碳加入到污水中进行吸附时，使用的多孔碳就与水分散后无法回收利用，这就造成了资源的浪费和成本的增加。本课题就在此基础上对多孔碳进行了改造和研究，以多孔碳为模板，复合上磁性粒子利用磁性粒子的磁性可以使用磁性物理的方法来分离水和多孔碳因此作出了磁性分级多孔碳材料。
1.2 多孔碳材料的概述
多孔碳材料(porous carbon material)是以碳素为骨架主体的一种多孔材料，具有有比表面积大、孔隙发达、化学稳定性好和优异的导电性[1]，并且多孔碳材料的原材料来源广泛资源丰富、价格低廉、制作过程简便、可以进行大规模的生产因此被广泛应用于能源的储存与转换、催化和大分子吸附等多项领域[2]，一直备受到国内外的科技研究人员的青睐。根据国际上的对孔径的公认定义，可以按照多孔碳的孔径大小可以分为3种类型：微孔碳材料(<2 nm)、介孔碳材料(介于2~50 nm)、大孔碳材料(>50 nm)[3]。近几年研究发现单一类型的孔洞结构材料不能够满足现阶段的高性能、高效率的市场应用需求，由此根据我们所需要的性能和应用需求，来对多孔碳进行人为的改造和设计已经成为多孔碳材料的研究热点，因此多级多孔碳材料的开发和应用应运而生。
1.2.1 多孔碳材料的分类
按照孔径的大小来分类：根据国际上的对孔径的公认定义，可以按照多孔碳的孔径大小可以分为3种类型：微孔碳材料(<2 nm)、介孔碳材料(介于2~50 nm)、大孔碳材料(>50 nm)。
按照多孔碳材料的产品类型来分类：
碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷起的无缝、中空的管体[4]。
碳纤维由碳元素组成的一种特种纤维[5]，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向因此沿纤维方向有很高的强度和模量，所以具有耐高温、抗老化、导电、导热、化学性能稳定的性能。
碳球根据尺寸的大小将碳球分为1.富勒烯族系和洋葱碳，其具有封 闭的石墨层结构，直径在2~20 nm之间。2.未完全石墨化的纳米碳球[6]，直径在50 nm~1μm之间。3.碳微珠，直径在11 μm以上。根据碳球的结构形貌可以分为空心碳球、实心碳球、多孔碳球、核壳碳球和胶装碳球等[7]。
1.2.2 多孔碳的特性
由于多孔碳是由碳原子为骨架主体的孔状结构，因此他具有比表面积大、孔径丰富、化学性质稳定、导电、导热、吸附性能好、还可以作为材料的增强体、稿化学惰性、低密度[8]，广泛应用于气体、液体吸附、水净化。电化学双层电容器、电极材料、生物传感器和太阳能电池[9]。
1.2.3 多孔碳材料的制备方法
最近几年，国内外的科技研究人员一直致力于如何制备出比表面积大、结构稳定、吸附性能好、性能优越的磁性分级多孔碳材料，制备方法和生产工艺决定了该材料是否可以投入实际的生产应用与之后磁性分级多孔碳材料的发展和应用都至关重要，因此制备方法越简单，原材料越丰富，越可以体现本课题研究的材料越有生命力。
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