基于高分子水热碳化过程的凹凸棒石/碳的复合机理及结构、性能

凹凸棒石粘土纳米矿物天然的团聚性和亲水性制约了其在工业非均相体系中的广泛应用，迫切需要高附加值凹凸棒石的研制。本项目利用凹凸棒石特殊晶体形态、优良吸附性能、以及对晶体成核和生长的模板控制作用，分别采用糖类天然高分子和聚丙烯腈类合成高分子为碳源，通过水热碳化途径在凹凸棒石表面负载含有机基团的纳米碳，实现凹凸棒石的解聚和亲有机改性，创制一种新型凹凸棒石/碳纳米复合材料。重点研究材料制备方法及反应条件对材料组成、微观结构、表面性质、孔结构和吸附性能的影响；比较两种类型高聚物的水热碳化过程，探索高分子水热碳化成为纳米碳的结构演变机制；揭示凹凸棒石对碳化过程的影响机制，阐明水热体系下凹凸棒石/碳的复合机理；最终形成携有有机基团的凹凸棒石/碳纳米复合材料可控制备的理论与方法体系，为凹凸棒石分散性和吸附性的提高奠定理论与方法基础。成果对碳材料科学、纳米科学、环境矿物学和环境工程等学科研究均具有重要意义。

本项目利用苏皖地区富产的天然纳米矿物-凹凸棒石的特殊晶体形态、优良吸附性能、以及对晶体成核和生长的模板控制作用，以糖类天然高分子为碳源，通过水热碳化途径在凹凸棒石表面负载含有机基团的纳米碳，创制一种新型凹凸棒石/碳纳米复合材料，发现纳米碳的负载能够改善凹凸棒石的亲有机改性以及聚集性。具体成果体现在如下方面：. 水热处理对凹凸棒石聚集性和吸附性的影响；碳源前驱体的筛选；葡萄糖为碳源水热催化制备凹凸棒石/碳；纤维素为碳源水热法制备凹凸棒石/碳；凹凸棒石/碳对有机污染物的吸附研究；液相吸附体系中凹凸棒石/碳吸附剂的磁分离；凹凸棒石/碳的纳米复合机理；葡萄糖和纤维素在水热体系下基于凹凸棒石模板诱导和吸附效应所致的碳化机理。.　　通过水热法所得凹凸棒石/碳的分散性和亲有机性明显优于凹凸棒石原矿；制备过程中水热处理温度、时间、碳源种类和浓度、催化剂种类和含量，pH均对产物结构和性能有重要影响。水热反应温度和时间决定凹凸棒石表面负载碳颗粒尺寸的大小，而碳源种类和模板凹凸棒石性质的匹配与否决定了碳源发生碳化的场所即纳米碳是否能够成功负载于模板表面。研究表明葡萄糖和纤维素是较佳的碳源，而聚丙烯腈不可能在凹凸棒石表面碳化成碳。将所得凹凸棒石/碳吸附脱除水中微量有机污染物（苯酚和亚甲基蓝），验证亲有机性，发现：凹凸棒石/碳对苯酚的脱除能力是凹凸棒石的3-9倍。通过优化制备条件所获得的凹凸棒石/碳对苯酚和亚甲蓝的吸附脱除率可接近于商用活性碳。. 在本项目支持下，共计在国内外刊物发表相关研究论文13篇，其中SCI/EI收录8篇，正在投稿论文4篇，预计在随后的3年内发表；申请相关发明专利6项，培养硕士研究生10名，已毕业4名，在读6名。较好的完成了项目计划任务，并在项目基础上开拓了稳定的研究方向，形成了一系列创新性的研究思路。