煅燒法制備凹凸棒石碳復(fù)合材料

1、煅燒法制備凹凸棒石/碳復(fù)合材料指導(dǎo)老師： XXX學(xué)生： XXX學(xué)號(hào)： XXX時(shí)間： 2013/06/09課題背景1.隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)的廢水排放量也在急劇地增加,其中有機(jī)污染占了很大的比例，原水中檢出致癌、致畸、致突變的“三致”有機(jī)物在100種以上1。常規(guī)處理工藝(化學(xué)氧化法、膜分離技術(shù)、蒸汽法、活性碳吸附法、生物處理技術(shù)等)已經(jīng)力不從心。開(kāi)發(fā)新的有機(jī)廢水的深度處理技術(shù)和廉價(jià)的新材料，已成為一項(xiàng)非常重要和迫切的新課題。1郭志儀，姚慧玲中國(guó)工業(yè)水污染的理論研究與實(shí)證檢驗(yàn)J審計(jì)與經(jīng)濟(jì)研究，2001,26(5)，97-103課題背景2.凹凸棒石又名坡縷石，屬海泡石族，是一種廉價(jià)且儲(chǔ)量豐富的具有

2、層鏈狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂鋁硅酸鹽粘土礦物2。晶體理想化學(xué)式：Mg5Si8O20(OH)2(OH2)44H2O。其較大的比表面積、表面的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)以及離子狀態(tài)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強(qiáng)親水性，限制其在吸附領(lǐng)域的應(yīng)用。圖1 凹凸棒石晶體結(jié)構(gòu)和晶體內(nèi)孔道分布圖2 陳天虎，徐曉春，岳書(shū)倉(cāng)蘇皖凹凸棒石粘土納米礦物學(xué)及地球化學(xué)M科學(xué)出版社，北京，2004：190192課題背景 3.現(xiàn)有的技術(shù)是對(duì)凹凸棒石進(jìn)行親有機(jī)改性。目前凹凸棒石有機(jī)改性劑較常用的是表面活性劑和偶聯(lián)劑。然而表面活性劑和偶聯(lián)劑改性法存在改性方法繁瑣、成本高等缺點(diǎn)。 4.葡萄糖是一種目前使用較多,水溶性好,并且價(jià)格

3、較低廉的碳源。如能以葡萄糖為碳源，通過(guò)煅燒法制備凹凸棒石碳復(fù)合材料，提高對(duì)有機(jī)污染物的吸附效果，無(wú)疑是一個(gè)更經(jīng)濟(jì)的選擇。相關(guān)研究1.吳雪平，盛麗華，陳天虎等以凹凸棒石粘土和葡萄糖為原材料，采用水熱法制備了凹凸棒石/C納米復(fù)合材料。2.慶承松，宋浩，陳天虎等以凹凸棒石黏土和廢活性白土為原材料，通過(guò)鐵鹽水解共沉淀和在氫氣氣氛下程序升溫煅燒的方法，制備廉價(jià)的凹凸棒石/-Fe2O3/碳納米復(fù)合材料。3.陳冬梅等將有機(jī)物A(樹(shù)脂類(lèi))與凹凸棒石共混，在隔絕空氣情況下低溫煅燒，得到一種新型碳化改性凹凸棒石復(fù)合材料。4. Pollard、Tsai、Leboda等高溫?zé)崽幚韽U白土，發(fā)現(xiàn)廢白土中有機(jī)質(zhì)高溫碳化，制

4、備了具有一定官能團(tuán)的凹凸棒石/碳復(fù)合材料。課題內(nèi)容研究論文闡明如下問(wèn)題：（1）以葡萄糖為碳源，采用煅燒法制備凹凸棒石碳復(fù)合材料，考察煅燒過(guò)程對(duì)于有機(jī)凹凸棒石結(jié)構(gòu)（尺寸形貌，官能團(tuán)和晶體結(jié)構(gòu)等）的影響。 （2）研究了不同煅燒溫度下制得的凹凸棒石碳復(fù)合材料作為吸附劑處理苯酚廢水的效果。實(shí)驗(yàn)思路 圖2 實(shí)驗(yàn)路線(xiàn)圖實(shí)驗(yàn)方法1. 有機(jī)凹凸棒石的制備采用浸漬法,將凹凸棒石浸漬于有機(jī)小分子溶液中，主要為葡萄糖溶液,使凹凸棒石表面負(fù)載有機(jī)小分子，然后置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)充分干燥，以獲得有機(jī)凹凸棒石。2. 有機(jī)凹凸棒石的煅燒處理 將吸附了葡萄糖的凹凸棒石在180-500下煅燒，考察煅燒溫度對(duì)產(chǎn)物微觀(guān)結(jié)構(gòu)的影響,盡可

5、能使有機(jī)小分子在凹凸棒石孔道內(nèi)成碳,以獲得真正意義上的凹凸棒石/碳納米復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)方法3 苯酚吸附實(shí)驗(yàn) 取不同溫度下煅燒后的凹凸棒石碳復(fù)合加入苯酚溶液恒溫振蕩至吸附平衡后，用4-氨基安替比林分光光度法測(cè)定苯酚殘余含量。比較不同溫度下煅燒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，對(duì)所制備的凹凸棒石/碳納米復(fù)合材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)及組成進(jìn)行分析表征。有機(jī)凹凸棒石的煅燒處理溫度/ M1/g M2/g收率 /%粉末顏色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溫度下煅燒的質(zhì)量變化v1.隨著煅燒溫度升，收率逐漸降低，主要原因是隨著溫度升高，更多的水分被脫除，以及更多的有機(jī)物被碳化。v2.隨著煅燒溫度升高，產(chǎn)物顏色加深，表明碳化效果越來(lái)越好。XRD 圖3 XRD圖譜XRD從xrd數(shù)據(jù)中可以看出，樣品xrd譜圖基本符合凹凸棒石的峰型，2=8.352,13.765,16.285,19.852,對(duì)應(yīng)的基底間距d110=1.058nm,d200=0.643nm,d130=0.544nm,d040=0.447nm。在220煅燒至400的過(guò)程中，隨著溫度的升高，凹凸棒石特征衍射峰無(wú)明顯變化。在該溫度

7、區(qū)間內(nèi)，晶體結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯改變。于500下煅燒后，凹凸棒石的特征衍射峰的強(qiáng)度明顯減弱。表明凹凸棒石的晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始破壞，發(fā)生了明顯的變化。FESEMabc圖4 凹凸棒石原礦和于200和400下煅燒后的凹凸棒石碳復(fù)合材料的FESEM照片：(a，d)凹凸棒石原礦；(b，e）200煅燒后的凹凸棒石碳復(fù)合材料；(c,f)400煅燒后的凹凸棒石碳復(fù)合材料；defFESEM凹凸棒石原礦晶體較長(zhǎng)，而煅燒后明顯變短。原礦中可以看到較多的凹凸棒石晶體呈平行的緊密聚集，而煅燒后的凹凸棒石顯微結(jié)構(gòu)更松散且不規(guī)則。 TEM由圖5可以看出，凹凸棒石在400煅燒后，為針棒狀結(jié)構(gòu)，但晶棒較短，部分棒晶上有附著物。圖5 4

8、00下煅燒后的凹凸棒石碳復(fù)合材料的TEM照片F(xiàn)TIR40003500300025002000150010005000020406080100T(%)V(cm-1)361535523432165611971027984796642510475A圖6 凹凸捧石原礦的紅外光譜圖圖A為凹凸棒石原礦的傅立葉變換紅外光譜圖。各譜峰或譜帶歸屬如下：3615 cm-1，3552 cm-1和3432 cm-1是凹凸棒石結(jié)構(gòu)中不同羥基伸縮振動(dòng)；1656 cm-1是羥基的彎曲震動(dòng)吸收；1197 cm-1是(Mg，A1)-O鍵的伸縮振動(dòng)引起的, 1027cm-1屬于Si-O-Si鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰，983cm-1為S

9、i-O-Mg的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰， 796cm-1歸屬于石英中Si-O-Si的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰， 642 cm-1，510cm-1，475cm-1是凹凸棒石的特征紅外吸收。從左圖中可以看出，與凹凸棒石原礦的紅外光譜圖相比，在3615-3432cm-1的三處羥基的伸縮振動(dòng)峰強(qiáng)度變?nèi)?，溫度達(dá)400時(shí)，在此附近僅出現(xiàn)3602cm-1的羥基伸縮振動(dòng)吸收峰，這是因?yàn)?，隨著溫度的升高，凹凸棒石的表面水及吸附水脫除，發(fā)生了脫羥基作用。2912cm-1對(duì)應(yīng)于飽和CH伸縮振動(dòng)吸收，2855cm-1為-CH2對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰，說(shuō)明通過(guò)煅燒，葡萄糖在凹凸棒石上碳化，形成了凹凸棒石/碳復(fù)合材料。FTIR圖7 凹凸捧

10、石/碳復(fù)合材料的紅外光譜圖苯酚吸附樣品樣品吸光度吸光度苯酚最終含量苯酚最終含量(mg/L)去除率去除率天然凹凸棒石天然凹凸棒石0.0973.4625.0%未煅燒有機(jī)凹凸棒石未煅燒有機(jī)凹凸棒石0.0873.0932.8%180180煅燒有機(jī)凹凸棒石煅燒有機(jī)凹凸棒石0.0802.8438.2%200200煅燒有機(jī)凹凸棒石煅燒有機(jī)凹凸棒石0.0782.7739.8%220220煅燒有機(jī)凹凸棒石煅燒有機(jī)凹凸棒石0.0692.4546.8%300300煅燒有機(jī)凹凸棒石煅燒有機(jī)凹凸棒石0.0551.9457.8%400400煅燒有機(jī)凹凸棒石煅燒有機(jī)凹凸棒石0.0461.6264.8%500500煅燒有機(jī)凹

11、凸棒石煅燒有機(jī)凹凸棒石0.0471.6664.2% 表2 煅燒溫度對(duì)吸附效果的影響苯酚吸附1.進(jìn)行有機(jī)改性后，凹凸棒石對(duì)苯酚的吸附效果有了明顯的改善。改性后改變了凹凸棒石表面的極性，對(duì)非極性分子的親和力有了顯著增強(qiáng)。2.隨著煅燒溫度的增大，凹凸棒石/碳復(fù)合材料對(duì)水中苯酚的去除率也逐步升高。原因可能是因?yàn)樘蓟某潭戎饾u升高。3.當(dāng)煅燒溫度達(dá)到400時(shí)，去除率達(dá)到了64.8%，比原礦的比凹凸棒石原礦對(duì)苯酚處理效果(25.0)增大了2.5倍。4.而隨著溫度的繼續(xù)上升，去除率不再明顯增大。原因可能是因?yàn)榘纪拱羰w結(jié)構(gòu)被碰壞。結(jié) 論 本論文主要圍繞煅燒法制備凹凸棒石碳復(fù)合材料進(jìn)行研究，探討了溫度對(duì)復(fù)合材料制備的影響，并研究了苯酚廢水處理的性能研究。所得結(jié)論如下： 1、400以前，煅燒溫度的升高不會(huì)對(duì)凹凸棒石的晶體結(jié)構(gòu)造成影響；而400以后，隨著煅燒溫度的增加，凹凸棒石晶體結(jié)構(gòu)開(kāi)始遭到破壞。煅