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随着社会的快速发展，资源短缺和环境污染问题逐渐引起人们的广泛关注，研究者们开始把注意力转移到可再生且储量丰富的生物质资源的高值化开发，并应用到环境修复方面。木质素被认为是自然界中储量最丰富且可再生的芳香化合物，工业木质素主要来源于制浆造纸工业以及纤维乙醇产业的副产物，来源广且廉价。木质素的碳含量高达60%，是一种理想的碳前驱体，且含有丰富的活性官能团如酚羟基、醇羟基、羧基、羰基等，木质素的结构和形貌易通过不同的方法进行调整。因此，其作为碳前驱体还具有优异的灵活性和可设计性。以工业木质素作为碳源，制备具有高附加值的木质素碳基功能材料，并应用于含抗生素废水的处理，可实现工业木质素的高值化利用，同时保护了环境，对经济的绿色可持续发展具有重要意义。
本论文以工业木质素为原料，通过调控木质素碳(LC)的微观形貌，并根据其微观形貌的特点作为碳基吸附剂材料或光催化剂载体材料，应用到模拟抗生素废水的处理中。首先，以钾化合物作为造孔剂，调控得到高比表面积的木质素基多孔碳(LPC)，并阐明木质素的结构及微结构对其碳化活化的影响机理，研究LPC对水体中抗生素的吸附性能及机理。其次，利用碱式碳酸镁(BMC)作为模板剂，调控得到木质素基碳纳米片(LCN)，作为硫化镉光催化剂载体，制备得到光催化性能良好的硫化镉/木质素基碳纳米片(CdS/LCN)复合物，通过光降解彻底矿化水体中的抗生素。进一步调控木质素碳形貌得到一种具有开口结构的木质素基空心碳球(LHC)，将其与环境友好的光催化剂氧化锌复合，得到光催化性能优异的氧化锌/木质素基空心碳球(ZnO/LHC)复合物，应用于抗生素的光降解。最后，综合二维结构和空心纳米结构的特点，调控得到超薄碳纳米片组成的木质素基花状碳(LFC )，与氧化锌复合得到氧化锌/木质素基花状碳(ZnO/LFC)复合物，进一步提高对抗生素的光催化降解性能。主要结论如下：
(1)以碱木质素和木质素磺酸钠为原料，选取KOH、K2CO3和KHCO3作为造孔剂，800?C条件下制备得到一系列的LPC。利用AFM、QCM-D、SEM、BET、TG、TG-MS等表征手段得出，AL亲水性基团较少，聚集严重且结构密实，KHCO3在AL热解前期释放大量气体，具有膨胀效应，促进其热解，有利于其活化造孔；LS亲水性基团多，结构疏松且延展，KOH在LS热解过程中抑制气体释放，具有稳定其微结构的作用，有利于孔道形成。因此，KHCO3活化AL和KOH活化LS可得到较高比表面积的LPC，分别可达到2084和2770m2·g-1。以上述两种LPC作为吸附剂材料，用于除去水体中的抗生素磺胺二甲基嘧啶(SMT)。动力学模型分析表明，其对SMT的吸附符合准二级动力学模型，且LSC-KOH具有更快的吸附速率。热力学模型及参数分析表明，其对SMT的吸附符合Langmuir模型，拟合得到室温下最大单层吸附量分别为884.1和1012.6mg·g-1，且吸附过程为自发的吸热反应。动态柱吸附和重复使用表明LPC具有实际应用潜力。对吸附机理进行推断，木质素碳与SMT之间主要以化学吸附为主，其中阳离子-π键为主要吸附作用力。
(2)以木质素磺酸钠为原料，碱式碳酸镁作为模板剂，利用BMC的气相剥离和自模板作用，调控得到具有多孔结构且表面含氧基团较多的LCN。利用SEM、TEM、AFM、BET、Raman等表征手段对LCN进行表征，并推断其形貌形成机理。通过调节BMC的添加量可调控LCN的厚度，LS和BMC质量比为1∶3时，得到的LCN-1∶3厚度最小，约为9nm，比表面积达到749m2·g-1。进一步，通过原位生长的方法，把10nm左右的CdS颗粒均匀地负载到LCN-1∶3，制备得到CdS/LCN-1∶3复合物。当LCN-1∶3含量约为5%时，对SMT具有最高的光降解速率，约为纯CdS的1.6倍。对其光催化增强机理进行分析得出，LCN-1∶3的引入很好地抑制了CdS纳米颗粒的团聚，增加光催化活性位点；另一方面，LCN-1∶3和CdS纳米颗粒间存在强的电子相互作用，促进CdS的光生电子和空穴对的分离。而且，LCN-1∶3的吸附性能对CdS的光反应过程也具有促进作用，同时抑制其光腐蚀。
(3)以酶解木质素为原料，球形的纳米氧化镁作为模板剂，通过挥发诱导自组装和碳化过程，调控得到具有开口结构且表面含氧基团较多的LHC。利用SEM、TEM、BET、Raman、XRD等表征手段对LHC进行表征，并推断其形貌形成机理。当EHL和MgO的质量比为2∶1，蒸发温度为90℃时，可以制备得到理想的LHC，其壁厚约为20nm，含有约70nm左右的开口，比表面积可达到412m2·g-1。进一步，通过原位生长的方法，把10nm左右的ZnO颗粒均匀地负载到LHC的内表面和外表面，制备得到ZnO/LHC复合物。当LHC含量约为5%时，对抗生素环丙沙星(CPX)具有最高的光降解速率，约为纯ZnO的2.0倍。对其光催化增强机理进行分析得出，LHC的引入很好的抑制了ZnO纳米颗粒的团聚，增加光催化活性位点，同时，这种空心开口结构还可以使光在内部空腔发生多重光散射，促进光吸收；另一方面，碳壳与ZnO形成共电子体系，促进光生电子和空穴对的分离，拓宽光吸收范围。除此之外，LHC的多孔结构具有良好的吸附性能，可以捕获反应底物，提高光反应效率。
(4)以酶解木质素为原料，片形的纳米氧化镁作为模板剂，通过挥发诱导自组装和碳化过程，调控得到超薄且表面含氧基团丰富的碳纳米片组成的LFC。利用SEM、TEM、BET、Raman、XRD等表征手段对LFC进行表征，并推断其形貌形成机理。当EHL和MgO的质量比为2∶1，蒸发温度为100?C时，制备得到理想的LFC，碳纳米片厚度约为4nm，比表面积可达到827m2·g-1。进一步，通过原位生长的方法，把10nm左右的ZnO颗粒均匀地负载到超薄碳纳米片上，制备得到ZnO/LFC复合物。当LFC含量约为4%时，对SMT具有最高的光降解速率，约为纯ZnO的3.0倍。对其光催化增强机理进行分析得出，ZnO纳米颗粒均匀地负载到超薄碳纳米片上，极大地增加了光催化反应的活性位点，同时，超薄碳纳米片组成的花状结构有利于光的透过以及多重光散射，促进光吸收；另一方面，高石墨化程度的碳纳米片可以促进ZnO光生载流子的分离，拓宽光吸收范围。除此之外，LFC还可以富集反应底物，提高光反应效率。
本论文以工业木质素为原料，通过调控木质素碳(LC)的微观形貌，并根据其微观形貌的特点作为碳基吸附剂材料或光催化剂载体材料，应用到模拟抗生素废水的处理中。首先，以钾化合物作为造孔剂，调控得到高比表面积的木质素基多孔碳(LPC)，并阐明木质素的结构及微结构对其碳化活化的影响机理，研究LPC对水体中抗生素的吸附性能及机理。其次，利用碱式碳酸镁(BMC)作为模板剂，调控得到木质素基碳纳米片(LCN)，作为硫化镉光催化剂载体，制备得到光催化性能良好的硫化镉/木质素基碳纳米片(CdS/LCN)复合物，通过光降解彻底矿化水体中的抗生素。进一步调控木质素碳形貌得到一种具有开口结构的木质素基空心碳球(LHC)，将其与环境友好的光催化剂氧化锌复合，得到光催化性能优异的氧化锌/木质素基空心碳球(ZnO/LHC)复合物，应用于抗生素的光降解。最后，综合二维结构和空心纳米结构的特点，调控得到超薄碳纳米片组成的木质素基花状碳(LFC )，与氧化锌复合得到氧化锌/木质素基花状碳(ZnO/LFC)复合物，进一步提高对抗生素的光催化降解性能。主要结论如下：
(1)以碱木质素和木质素磺酸钠为原料，选取KOH、K2CO3和KHCO3作为造孔剂，800?C条件下制备得到一系列的LPC。利用AFM、QCM-D、SEM、BET、TG、TG-MS等表征手段得出，AL亲水性基团较少，聚集严重且结构密实，KHCO3在AL热解前期释放大量气体，具有膨胀效应，促进其热解，有利于其活化造孔；LS亲水性基团多，结构疏松且延展，KOH在LS热解过程中抑制气体释放，具有稳定其微结构的作用，有利于孔道形成。因此，KHCO3活化AL和KOH活化LS可得到较高比表面积的LPC，分别可达到2084和2770m2·g-1。以上述两种LPC作为吸附剂材料，用于除去水体中的抗生素磺胺二甲基嘧啶(SMT)。动力学模型分析表明，其对SMT的吸附符合准二级动力学模型，且LSC-KOH具有更快的吸附速率。热力学模型及参数分析表明，其对SMT的吸附符合Langmuir模型，拟合得到室温下最大单层吸附量分别为884.1和1012.6mg·g-1，且吸附过程为自发的吸热反应。动态柱吸附和重复使用表明LPC具有实际应用潜力。对吸附机理进行推断，木质素碳与SMT之间主要以化学吸附为主，其中阳离子-π键为主要吸附作用力。
(2)以木质素磺酸钠为原料，碱式碳酸镁作为模板剂，利用BMC的气相剥离和自模板作用，调控得到具有多孔结构且表面含氧基团较多的LCN。利用SEM、TEM、AFM、BET、Raman等表征手段对LCN进行表征，并推断其形貌形成机理。通过调节BMC的添加量可调控LCN的厚度，LS和BMC质量比为1∶3时，得到的LCN-1∶3厚度最小，约为9nm，比表面积达到749m2·g-1。进一步，通过原位生长的方法，把10nm左右的CdS颗粒均匀地负载到LCN-1∶3，制备得到CdS/LCN-1∶3复合物。当LCN-1∶3含量约为5%时，对SMT具有最高的光降解速率，约为纯CdS的1.6倍。对其光催化增强机理进行分析得出，LCN-1∶3的引入很好地抑制了CdS纳米颗粒的团聚，增加光催化活性位点；另一方面，LCN-1∶3和CdS纳米颗粒间存在强的电子相互作用，促进CdS的光生电子和空穴对的分离。而且，LCN-1∶3的吸附性能对CdS的光反应过程也具有促进作用，同时抑制其光腐蚀。
(3)以酶解木质素为原料，球形的纳米氧化镁作为模板剂，通过挥发诱导自组装和碳化过程，调控得到具有开口结构且表面含氧基团较多的LHC。利用SEM、TEM、BET、Raman、XRD等表征手段对LHC进行表征，并推断其形貌形成机理。当EHL和MgO的质量比为2∶1，蒸发温度为90℃时，可以制备得到理想的LHC，其壁厚约为20nm，含有约70nm左右的开口，比表面积可达到412m2·g-1。进一步，通过原位生长的方法，把10nm左右的ZnO颗粒均匀地负载到LHC的内表面和外表面，制备得到ZnO/LHC复合物。当LHC含量约为5%时，对抗生素环丙沙星(CPX)具有最高的光降解速率，约为纯ZnO的2.0倍。对其光催化增强机理进行分析得出，LHC的引入很好的抑制了ZnO纳米颗粒的团聚，增加光催化活性位点，同时，这种空心开口结构还可以使光在内部空腔发生多重光散射，促进光吸收；另一方面，碳壳与ZnO形成共电子体系，促进光生电子和空穴对的分离，拓宽光吸收范围。除此之外，LHC的多孔结构具有良好的吸附性能，可以捕获反应底物，提高光反应效率。
(4)以酶解木质素为原料，片形的纳米氧化镁作为模板剂，通过挥发诱导自组装和碳化过程，调控得到超薄且表面含氧基团丰富的碳纳米片组成的LFC。利用SEM、TEM、BET、Raman、XRD等表征手段对LFC进行表征，并推断其形貌形成机理。当EHL和MgO的质量比为2∶1，蒸发温度为100?C时，制备得到理想的LFC，碳纳米片厚度约为4nm，比表面积可达到827m2·g-1。进一步，通过原位生长的方法，把10nm左右的ZnO颗粒均匀地负载到超薄碳纳米片上，制备得到ZnO/LFC复合物。当LFC含量约为4%时，对SMT具有最高的光降解速率，约为纯ZnO的3.0倍。对其光催化增强机理进行分析得出，ZnO纳米颗粒均匀地负载到超薄碳纳米片上，极大地增加了光催化反应的活性位点，同时，超薄碳纳米片组成的花状结构有利于光的透过以及多重光散射，促进光吸收；另一方面，高石墨化程度的碳纳米片可以促进ZnO光生载流子的分离，拓宽光吸收范围。除此之外，LFC还可以富集反应底物，提高光反应效率。