部分碳化功能化秸秆的制备及其在重金属离子吸附和锂离子电池负极材料方面的应用

Crop straws are important biomass resources and their exploitation and utilization have been received much attention in recent years. In this study, wheat straw and rice straw are chosen as the raw materials to synthesize highly effective sorbents in heavy metal wastewater treatment. Straws are first pryolyzed under oxygen-limited condition under different temperature to prepare imcompletely carbonized biochar. Then, the imcompletely carbonized straw biochar is activated through ozone oxidation to introduce some kinds of oxygen-containing groups on the surface.The activated biochar is further functionalized by reacting with carbon disulfide to form xanthonate groups. Then the functionalized straw materials containing hydroxy, carboxyl and xanthonate groups are synthesized. The materials are then employed to the sorption of heavy metal ions such as Pb2+, Cd2+, Hg2+, Cu2+, Zn2+ and Ni2+ from the aqueous solution. Several kinds of instrumental analytical methods are employed to follow the modification process and characterize the synthesized materials. Desorption of the heavy metal ions and the reuse of the sorbents are also important aspects that must be taken into account in heavy metal wastewater treatment.In this study, desorption experiment are discussed carefully and the materials after the sorption of heavy metal ions are further used as anode material for lithium ions battery.

高效价廉的新型吸附材料的制备是含重金属废水处理的关键。本项目选取麦秆和稻秆两种常见的农作物秸秆为原料，控制热解温度及时间对秸秆进行部分碳化。采用臭氧处理方法对部分碳化秸秆进行活化，在部分碳化秸秆表面引入多种极性含氧官能团，将经臭氧活化的部分碳化秸秆进行黄化处理，在碳化秸秆表面引入黄原酸基团，从而制备得到比表面积大且富含羧基羟基及黄原酸根等多种活性官能团的功能化秸秆材料，以实现对溶液中重金属离子的吸附。采用多种分析测试手段跟踪反应过程并对中间产物及目标产物进行表征，深入探讨秸秆的部分碳化过程和臭氧活化条件以及两者的相互影响，为进一步的接枝反应提供条件，构建功能化秸秆的制备方法。饱和了重金属离子的吸附材料的后处理也是重金属废水处理中需要重点考察的问题。本项目将饱和了重金属离子的秸秆在高温下碳化，利用少量的脱附剂即可实现重金属离子的回收，并将脱附了重金属的碳化秸秆用于制备锂离子电池负极材料。

水体重金属离子的污染已严重威胁到人类健康及生态环境。因此，制备高效价廉的新型吸附材料是重金属废水处理的关键。本项目利用水稻秸秆等农业废弃物为原料，通过热解法及进一步的氧化活化处理制备重金属离子吸附材料。在基金的支持下，本项目首先优化了稻秆的热解温度、升温速率等参数，进一步将热解得到的稻秆生物碳材料用高锰酸钾氧化活化处理，制备得到锰氧化物负载的多孔碳材料，对重金属离子Pb(II)的吸附能力可达305mg/g，为未氧化活化处理时吸附量的2.5倍。进一步，提出了直接碳化的热解方式，与传统的缓慢升温热解方式比较，可缩短热解时间，提高材料吸附重金属离子的能力。实验表明，直接碳化所得材料对重金属离子Pb(II)、Cu(II)、Mn(II)和Cr(III)的最大吸附量较缓慢碳化所得材料增加了12.3 %~22.4%。脱附实验显示，0.3 mol/L HCl可作为脱附剂将结合在材料表面的重金属离子有效脱附。将吸附脱附Pb(II)前后的RS300和RS700用作锂离子电池负极材料，考察了其电化学性能，并对可能的机理进行了研究。由于材料比表面积的限制，充放电比容量不高，这还有待进一步的研究。另外，本研究还以南瓜、羧甲基纤维素钠、乙二胺四乙酸二钠盐等为原料，制备出一系列富氧、富氮多孔碳材料，并将其用于重金属离子的吸附、脱盐及锂离子电池电极材料。石墨烯材料因其突出的物理化学性质引起了众多研究者的兴趣，本研究还开展了石墨烯基膜的制备并用于氨基酸的分离和染料的吸附研究，取得了满意的结果。这些研究不但完成了项目的研究计划，还为后续更深入的研究奠定了基础。.在基金的支持下，本项目在Nanoscale (IF 7.23)等学术期刊上共发表SCI论文10篇，其中影响因子大于5.0的3篇。本项目培养了1名博士研究生和2名硕士研究生，圆满完成了研究计划。