煅燒法制備凹凸棒石碳復合材料

1、煅燒法制備凹凸棒石/碳復合材料指導老師： XXX學生： XXX學號： XXX時間： 2013/06/09課題背景1.隨著經濟社會的發(fā)展，我國的廢水排放量也在急劇地增加,其中有機污染占了很大的比例，原水中檢出致癌、致畸、致突變的“三致”有機物在100種以上1。常規(guī)處理工藝(化學氧化法、膜分離技術、蒸汽法、活性碳吸附法、生物處理技術等)已經力不從心。開發(fā)新的有機廢水的深度處理技術和廉價的新材料，已成為一項非常重要和迫切的新課題。1郭志儀，姚慧玲中國工業(yè)水污染的理論研究與實證檢驗J審計與經濟研究，2001,26(5)，97-103課題背景2.凹凸棒石又名坡縷石，屬海泡石族，是一種廉價且儲量豐富的具有

2、層鏈狀結構的含水富鎂鋁硅酸鹽粘土礦物2。晶體理想化學式：Mg5Si8O20(OH)2(OH2)44H2O。其較大的比表面積、表面的物理化學結構以及離子狀態(tài)等使凹凸棒石粘土具有良好的吸附特性。但凹凸棒石表面具有強親水性，限制其在吸附領域的應用。圖1 凹凸棒石晶體結構和晶體內孔道分布圖2 陳天虎，徐曉春，岳書倉蘇皖凹凸棒石粘土納米礦物學及地球化學M科學出版社，北京，2004：190192課題背景 3.現(xiàn)有的技術是對凹凸棒石進行親有機改性。目前凹凸棒石有機改性劑較常用的是表面活性劑和偶聯(lián)劑。然而表面活性劑和偶聯(lián)劑改性法存在改性方法繁瑣、成本高等缺點。 4.葡萄糖是一種目前使用較多,水溶性好,并且價格

3、較低廉的碳源。如能以葡萄糖為碳源，通過煅燒法制備凹凸棒石碳復合材料，提高對有機污染物的吸附效果，無疑是一個更經濟的選擇。相關研究1.吳雪平，盛麗華，陳天虎等以凹凸棒石粘土和葡萄糖為原材料，采用水熱法制備了凹凸棒石/C納米復合材料。2.慶承松，宋浩，陳天虎等以凹凸棒石黏土和廢活性白土為原材料，通過鐵鹽水解共沉淀和在氫氣氣氛下程序升溫煅燒的方法，制備廉價的凹凸棒石/-Fe2O3/碳納米復合材料。3.陳冬梅等將有機物A(樹脂類)與凹凸棒石共混，在隔絕空氣情況下低溫煅燒，得到一種新型碳化改性凹凸棒石復合材料。4. Pollard、Tsai、Leboda等高溫熱處理廢白土，發(fā)現(xiàn)廢白土中有機質高溫碳化，制

4、備了具有一定官能團的凹凸棒石/碳復合材料。課題內容研究論文闡明如下問題：（1）以葡萄糖為碳源，采用煅燒法制備凹凸棒石碳復合材料，考察煅燒過程對于有機凹凸棒石結構（尺寸形貌，官能團和晶體結構等）的影響。 （2）研究了不同煅燒溫度下制得的凹凸棒石碳復合材料作為吸附劑處理苯酚廢水的效果。實驗思路 圖2 實驗路線圖實驗方法1. 有機凹凸棒石的制備采用浸漬法,將凹凸棒石浸漬于有機小分子溶液中，主要為葡萄糖溶液,使凹凸棒石表面負載有機小分子，然后置于鼓風干燥箱內充分干燥，以獲得有機凹凸棒石。2. 有機凹凸棒石的煅燒處理 將吸附了葡萄糖的凹凸棒石在180-500下煅燒，考察煅燒溫度對產物微觀結構的影響,盡可

5、能使有機小分子在凹凸棒石孔道內成碳,以獲得真正意義上的凹凸棒石/碳納米復合材料。實驗方法3 苯酚吸附實驗 取不同溫度下煅燒后的凹凸棒石碳復合加入苯酚溶液恒溫振蕩至吸附平衡后，用4-氨基安替比林分光光度法測定苯酚殘余含量。比較不同溫度下煅燒的凹凸棒石的吸附效果。4 表征及分析采用SEM、FTIR、XRD等表征手段，對所制備的凹凸棒石/碳納米復合材料的微觀結構及組成進行分析表征。有機凹凸棒石的煅燒處理溫度/ M1/g M2/g收率 /%粉末顏色1801.0000.80280.2棕色2001.0000.78378.3棕色2201.0000.77177.1棕黑色3001.0000.72172.1黑色4

6、001.0000.66666.6黑色表1 葡萄糖改性凹凸棒石在不同溫度下煅燒的質量變化v1.隨著煅燒溫度升，收率逐漸降低，主要原因是隨著溫度升高，更多的水分被脫除，以及更多的有機物被碳化。v2.隨著煅燒溫度升高，產物顏色加深，表明碳化效果越來越好。XRD 圖3 XRD圖譜XRD從xrd數據中可以看出，樣品xrd譜圖基本符合凹凸棒石的峰型，2=8.352,13.765,16.285,19.852,對應的基底間距d110=1.058nm,d200=0.643nm,d130=0.544nm,d040=0.447nm。在220煅燒至400的過程中，隨著溫度的升高，凹凸棒石特征衍射峰無明顯變化。在該溫度

7、區(qū)間內，晶體結構未發(fā)生明顯改變。于500下煅燒后，凹凸棒石的特征衍射峰的強度明顯減弱。表明凹凸棒石的晶體結構已經開始破壞，發(fā)生了明顯的變化。FESEMabc圖4 凹凸棒石原礦和于200和400下煅燒后的凹凸棒石碳復合材料的FESEM照片：(a，d)凹凸棒石原礦；(b，e）200煅燒后的凹凸棒石碳復合材料；(c,f)400煅燒后的凹凸棒石碳復合材料；defFESEM凹凸棒石原礦晶體較長，而煅燒后明顯變短。原礦中可以看到較多的凹凸棒石晶體呈平行的緊密聚集，而煅燒后的凹凸棒石顯微結構更松散且不規(guī)則。 TEM由圖5可以看出，凹凸棒石在400煅燒后，為針棒狀結構，但晶棒較短，部分棒晶上有附著物。圖5 4

8、00下煅燒后的凹凸棒石碳復合材料的TEM照片F(xiàn)TIR40003500300025002000150010005000020406080100T(%)V(cm-1)361535523432165611971027984796642510475A圖6 凹凸捧石原礦的紅外光譜圖圖A為凹凸棒石原礦的傅立葉變換紅外光譜圖。各譜峰或譜帶歸屬如下：3615 cm-1，3552 cm-1和3432 cm-1是凹凸棒石結構中不同羥基伸縮振動；1656 cm-1是羥基的彎曲震動吸收；1197 cm-1是(Mg，A1)-O鍵的伸縮振動引起的, 1027cm-1屬于Si-O-Si鍵的伸縮振動吸收峰，983cm-1為S

9、i-O-Mg的不對稱伸縮振動峰， 796cm-1歸屬于石英中Si-O-Si的對稱伸縮振動吸收峰， 642 cm-1，510cm-1，475cm-1是凹凸棒石的特征紅外吸收。從左圖中可以看出，與凹凸棒石原礦的紅外光譜圖相比，在3615-3432cm-1的三處羥基的伸縮振動峰強度變弱，溫度達400時，在此附近僅出現(xiàn)3602cm-1的羥基伸縮振動吸收峰，這是因為，隨著溫度的升高，凹凸棒石的表面水及吸附水脫除，發(fā)生了脫羥基作用。2912cm-1對應于飽和CH伸縮振動吸收，2855cm-1為-CH2對稱伸縮振動吸收峰，說明通過煅燒，葡萄糖在凹凸棒石上碳化，形成了凹凸棒石/碳復合材料。FTIR圖7 凹凸捧

10、石/碳復合材料的紅外光譜圖苯酚吸附樣品樣品吸光度吸光度苯酚最終含量苯酚最終含量(mg/L)去除率去除率天然凹凸棒石天然凹凸棒石0.0973.4625.0%未煅燒有機凹凸棒石未煅燒有機凹凸棒石0.0873.0932.8%180180煅燒有機凹凸棒石煅燒有機凹凸棒石0.0802.8438.2%200200煅燒有機凹凸棒石煅燒有機凹凸棒石0.0782.7739.8%220220煅燒有機凹凸棒石煅燒有機凹凸棒石0.0692.4546.8%300300煅燒有機凹凸棒石煅燒有機凹凸棒石0.0551.9457.8%400400煅燒有機凹凸棒石煅燒有機凹凸棒石0.0461.6264.8%500500煅燒有機凹

11、凸棒石煅燒有機凹凸棒石0.0471.6664.2% 表2 煅燒溫度對吸附效果的影響苯酚吸附1.進行有機改性后，凹凸棒石對苯酚的吸附效果有了明顯的改善。改性后改變了凹凸棒石表面的極性，對非極性分子的親和力有了顯著增強。2.隨著煅燒溫度的增大，凹凸棒石/碳復合材料對水中苯酚的去除率也逐步升高。原因可能是因為碳化的程度逐漸升高。3.當煅燒溫度達到400時，去除率達到了64.8%，比原礦的比凹凸棒石原礦對苯酚處理效果(25.0)增大了2.5倍。4.而隨著溫度的繼續(xù)上升，去除率不再明顯增大。原因可能是因為凹凸棒石晶體結構被碰壞。結 論 本論文主要圍繞煅燒法制備凹凸棒石碳復合材料進行研究，探討了溫度對復合材料制備的影響，并研究了苯酚廢水處理的性能研究。所得結論如下： 1、400以前，煅燒溫度的升高不會對凹凸棒石的晶體結構造成影響；而400以后，隨著煅燒溫度的增加，凹凸棒石晶體結構開始遭到破壞。煅