三维有序多级孔结构碳的制备及其对水中有机污染物的吸附性能

The existence of organic micro pollutants in water severely threatens human health. It is urgent to develop effective water-treatment technologies. Adsorption is one of the most popular advanced technologies for water-treatment, and it is necessary to design and optimize the inner structure of adsorbents to improve the inner-particle diffusion rate as well as the adsorption rate of the organic contaminants, subsequently enhance the efficiency of the adsorption process. Aiming to enhance the adsorption rate, 3D ordered hierarchically porous carbon adsorbents with connecting macro and meso pores will be fabricated by dual-templates carbonization method. The structure of the adsorbents such as pore diameters and the channels arrangement will be manipulate by adjusting the synthesis conditions in order to reduce the hinder of the intra particle diffusion, and subsequently enhance the adsorption rate. Numerical simulation of organic contaminant diffusion in porous carbon is implemented with lattice Boltzmann method to investigate the effects of pore characteristics on diffusion process. Combined with the adsorption experiment results, the relationship between the intra particle diffusion coefficient, the adsorption rate constant and the pore characteristics of the adsorbents will be studied as well.The results of this project will provide references for the fabrication of effective adsorbents for organic micro pollutants in water.

水中微量有毒有机物的存在严重威胁人类健康，亟需开发高效深度处理技术。为了进一步提高水处理工程中的吸附效率，有必要设计优化吸附剂的内部结构从而解决污染物的颗粒内扩散问题，提高吸附速率。本项目提出以双模板碳化法制备三维有序多级孔结构碳材料，其内部孔道由相互贯通的大孔和介孔组成，通过优化调控材料内部的孔径、孔道长度和排布方式等，降低有机污染物在颗粒内扩散的距离和阻力，从根本上解决吸附过程的传质难题，提高吸附速率，为水体有机污染物的深度处理提供高效的吸附材料。同时，项目采用格子Boltzmann方法模拟多孔碳材料中的有机物的扩散过程，以数值模拟的方法研究孔道直径、孔道长度及绕曲度等几何结构参数对颗粒内部传质特性的影响，并结合吸附实验和构效分析结果，明确颗粒内扩散速率、吸附速率等参数与孔道几何参数之间的定性定量关系，为高效吸附材料的设计开发和结构优化提供理论参考。

为提高实际水处理过程中有机污染物的吸附效率，项目提出设计三维有序多级孔结构的炭吸附剂，通过构建大孔-介孔-微孔相互贯通的内部孔道结构，从根本上解决吸附过程传质阻力大、吸附速率慢的瓶颈问题，进而提高吸附速率。项目采用模板法制备了一系列具有多级孔结构的炭吸附材料，包括微孔-介孔、介孔-大孔、微孔-介孔-大孔等多级孔炭。所制备多级孔炭的比表面积均超过1000m2/g，SEM、TEM图像及孔径分布等表征结果证实了其多级孔结构。分别通过平衡吸附实验和柱吸附实验深入考察了各类吸附剂对典型有机污染物如抗生素、染料等的吸附性能。研究发现多级孔结构的炭吸附剂显著优于比表面积相当的活性炭和微孔炭材料，具有更快的吸附速率，在柱吸附模式下具有明显优势，其比表面积标化的吸附量与平衡吸附模式相当。多级孔炭在柱吸附系统中对四环素的有效处理量是活性炭的8-10倍，对泰乐菌素的有效处理量是活性炭的4-6倍。同时，项目以实验和分子动力学模拟相结合，研究了吸附质分子在不同孔径的孔道内扩散和吸附行为，分析了多级孔道在吸附过程中的作用和贡献。结果表明多级孔结构中介孔/大孔网络显著提高了污染物的颗粒内扩散速率，增加了有限接触时间内吸附位点的可达性，而多孔结构中的微孔是污染物的主要吸附位点，同时增加吸附亲和力。