甲基化富氮多孔碳对水体中高氯酸盐的去除机制及电化学再生特性研究

The functionalized rich nitrogen carbon material could effective removal of low concentration perchlorate from aqueous solution, but the mechanism of perchlorate removal, the influence of nitrogen functional groups and methylation for perchlorate removal, the electrochemical regeneration performance and other issues need further investigation and discussion. In this study, a methyl-functionalized nitrogen rich porous biomass carbon was prepared of lignocellulosic biomass of Camellia oleifera shell by two-step nitrogen doping and methylation, which had strong affinity and selective adsorption ability for perchlorate. The XPS, Raman spectrum, Zeta potential, Electrochemical workstation and a variety of analytical methods were used to characterize and comparison the type and content of nitrogen functional groups, the degree of graphitization, surface charge and electrochemical performance of before and after the nitrogen rich porous carbon for perchlorate adsorption. Thereby, from theoretically reveal the perchlorate removal mechanisms of methyl-functionalized nitrogen rich porous carbon, the influence of different nitrogen functional groups and methylation for perchlorate removal mechanism, meanwhile, the electrochemical reduction and recycling use performance of saturation material was investigated, and then to clarify the regeneration performance, and provide a new method and theoretical basis of perchlorate effectively removal from wastewater.

富氮多孔碳具有对水体中低浓度高氯酸盐的高效去除性能,但其高氯酸盐的去除机制、各种含氮官能团对高氯酸盐的影响还不清楚，甲基化处理富氮多孔碳对高氯酸盐去除能力提升的影响及电化学再生循环利用特征等问题需要进一步研究和认识。本研究利用木质纤维素生物质茶籽壳一步氮掺杂结合甲基化处理得到对高氯酸盐具有极强亲和力及选择性吸附能力的甲基化富氮多孔碳，通过XPS、Raman光谱、Zeta电位及电化学工作站等多种分析测试方法，对富氮多孔碳高氯酸盐吸附前后含氮官能团的种类、含量、石墨化程度、表面电荷水平及电化学性能进行表征及对比，从而从理论上揭示出甲基化富氮多孔碳对高氯酸盐的去除机制、不同含氮官能团对高氯酸盐去除的作用机制以及甲基化的影响作用机制，同时对饱和材料的电化学还原再生循环利用性能进行研究，进而阐明其再生利用性能，为有效去除水体中浓度高氯酸盐污染提供一种新方法和理论依据。

利用木质纤维素生物质茶籽壳制备甲基化富氮多孔碳，考察其对高氯酸盐吸附能力和电化学还原再生性能，揭示氮掺杂多孔碳对高氯酸盐的去除机理及影响机制。生物炭通过氨氧化作用能够将氮原子掺杂到生物炭上。茶籽壳经过氢氧化钠和氯化锌处理，热解温度对生物炭的结构和性质起到关键作用。含氮功能基团-N和- NH主导静电力吸附和氢键结合作用主导了生物炭对高氯酸盐的吸附。氨氧化作用可以取代部分含氧基团有效地将氮原子掺杂到活性炭结构中，同时也会导致生物炭比表面积下降，极性指数增加，以及高氯酸盐吸附容量下降。而苯扎氯铵和季胺氮表面改性得到的后掺杂含氮生物炭，带有正电荷的季铵盐基团具有卓越的高氯酸盐吸附性能，能够有效地物理吸附和电吸附溶液中的高氯酸盐。并且氮掺杂后生物炭的电化学性能得到有效提高，氮掺杂生物炭和饱和季胺氮生物炭都可以通过充放电作用实现饱和氮掺杂生物炭解吸和再生。为了彻底地去除高氯酸盐，在苯扎氯铵氮掺杂生物炭上负载Re-Pd双金属，获得吸附/还原双功能生物炭。在常温常压环境下能够通过催化加氢有效地还原溶液中的高氯酸盐。并且该双金属负载生物炭可以作为颗粒电极利用三维电化学反应器中的内源氢气，实现对溶液中高氯酸盐的电化学还原，去除机制为Re金属的氧转移和Pd的催化加氢作用。项目资助发表SCI论文20篇。培养博士生3名，其中1名在读，硕士生6名，其中2名再读。项目投入经费62万元，支出33.9085万元，各项支出基本与预算相符，剩余经费计划用于本项目研究后续支出。