煤沥青基3D球形分级多孔炭的形成机制及其对废水中染料的吸附性能

How to design and develop new porous carbons has become the key point of deep treatment of dye wastewater by adsorption method. The present research proposal focuses on the synthesis of adsorbents for dye in wastewater with high adsorption capacity and easy regeneration. According to the big size of dye compounds，the 3D hierarchical sphere porous carbons with good meso/micro pore size and volume ratio are prepared from coal tar pitch using nano metal oxides as template coupled with KOH activation. The effects of physical and chemical properties of raw materials, the mass ratio of raw materials, and the heating mode on the pore structures and the surface properties of the as-made hierarchical porous carbons will be addressed in detail. The mechanism involved in the in-site activation of pitch by KOH coupled with template will be studied. The novel method for fast preparation of low-cost and tuned hierarchical porous carbons will be established. The effects of pore structure parameters and surface chemistry properties of carbons on the adsorption kinetics, adsorption capacity and regeneration for dye compounds will be investigated in order to figure out the relationship between the performance-structure-synthesis parameters of the hierarchical porous carbons. The work will shed new lights on the selectivity adsorption mechanism of hierarchical porous carbons for dye compounds. The output of the research work will give a new impetus on the research of carbon materials for the adsorption field with providing the practical theory and technology bases for dye wastewater treatment.

新型多孔炭的设计和开发是吸附法深度治理染料废水的关键。根据废水中染料分子结构较大的特点，本项目提出以煤沥青为碳源，使用纳米金属氧化物为模板耦合KOH活化制备中/微孔径分布和孔容比例较佳的3D球形分级多孔炭，研制出对染料具有高吸附性能且易再生的吸附材料。课题将研究原料化学组成/配比、加热模式等对多孔炭结构及表面化学性质的影响，揭示模板耦合KOH活化制备煤沥青基3D球形分级多孔炭的机制，研究并建立分级多孔炭的廉价、快速、可控制备的新方法。研究多孔炭的物理结构和表面化学性质对废水中染料吸附动力学、吸附容量及再生性能的影响，诠释分级多孔炭染料吸附材料的性能-结构-合成三者之间的关系和规律，揭示分级多孔炭对染料的吸附机理。项目的实施有助于丰富炭材料和吸附学科的科学内涵，为活性炭更广泛的用于染料废水的治理提供实用理论和技术基础。

染料废水是主要的工业废水之一，对环境的危害极大。吸附法能有效的去除废水中的染料，新型多孔炭的开发是吸附法深度治理染料废水的关键。本项目首先以煤沥青为碳源，纳米MgO为模板耦合KOH活化，制备具有分级结构的3D球形分级多孔炭（HPCs），BET分析表明： HPCs的比表面积介于1289-2292 m2/g之间，比孔容则介于1.10-2.05 cm3/g之间，既有微孔也包含中孔，为分级多孔炭。XPS结果表明：HPCs中的C含量和O含量都比较高，含有少量的N元素。吸附等温线表明：所制备的分级多孔炭对酸性橙74、茜素绿和碱蓝6B都具有优异的吸附性能。动力学研究表明：HPC2-19-900对酸性橙74、茜素绿和碱蓝6B的吸附动力学过程符合拟二级动力学方程，其吸附主要以化学吸附占主导地位。本项目还以煤沥青为碳源，纳米CaO为模板耦合KOH活化制备多孔炭，其含有大量的微孔和小中孔，孔隙结构发达，具有典型的分级多孔炭的特征，TEM结果表明HPCs的形貌为层状的；所制备分级多孔炭的比表面积很大，介于1843 m2/g -3060 m2/g之间。由于富含大量尺寸介于2-4 nm的小中孔，HPC2-2-800的比表面积最大，高达3060 m2/g。HPCs中的C含量和O含量都比较高，含有少量的N元素。吸附等温线表明：所制备的分级多孔炭对茜素绿、酸性橙74和亚甲基兰都具有优异的吸附性能，且优于商品炭。动力学研究表明：HPCs对茜素绿和酸性橙74的吸附过程主要符合拟一级模型，其主要以物理吸附为主，对亚甲基蓝的吸附行为更符合拟二级模型，其主要以化学吸附为主。本项目最后以吲哚为碳源和氮源，纳米CaO为模板耦合KOH活化制备的多孔炭，其具有层状结构，且主要为微孔，当焙烧终温为900℃，HPC900的比表面高达1629 m2/g。XPS结果表明：HPC900表面含氧官能团主要是C-O 和C=O，含氮官能团主要是C-N-C、N-(C)3和C-N-H这三种，且含氮量明显提高。吸附等温线表明：HPCT对茜素绿和酸性橙74的单位面积吸附性能要高于HPC2-5-850，尤其是对酸性橙74的吸附性能更是显著提升。以廉价的煤沥青为碳源，采用纳米MgO或CaO为模板，可以制备具有中孔和微孔的分级多孔炭，且对代表性染料都具有优异的吸附性能，对于用于染料废水的深度处理，具有广阔的应用前景。