生物质基多孔炭的表界面调控及其对水中四环素的去除研究

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四环素(TC)广泛用于人类和动物的疾病预防与治疗。然而,TC稳定的萘环结构导致其在生物体内代谢不良,易在水环境中积累,威胁着生态环境和人类健康。吸附法和基于过硫酸盐的高级氧化法常用于去除水中四环素。以生物质为原料制备多孔炭材料并用于水污染控制领域已成为研究热点,但传统生物质基炭基材料存在比表面积低、孔隙率及石墨化程度差等缺陷。因此本论文提出调控生物质基多孔炭微观结构和表面性质,调变其比表面、孔结构及元素组成等重要性质,合成了一系列生物质基多孔炭材料,并研究了其对四环素的吸附及催化氧化性能。主要研究内容及结论如下:(1)通过模板法结合化学活化的策略制备了秸秆基分级多孔生物炭(HBC)并应用于吸附水中四环素。HBC具有丰富的微孔/中孔、高表面积(2944 m~2·g-1)、高孔体积(1.33 cm~3·g-1)和石墨缺陷。由于这些优势,HBC的吸附能力是介孔生物炭的2.1倍。HBC在宽p H范围内也表现出稳定的吸附能力,在共存离子和腐植酸存在下具有优异的选择性吸附。HBC对四环素的吸附是自发的和吸热的过程,且符合Langmuir型吸附和准二级动力学。吸附机理分析表明,孔隙填充和疏水相互作用主导了TC在HBC上的吸附。(2)以葡萄糖为炭源,硝酸锌为活化剂和氮源,通过原位掺杂法成功合成了N掺杂多孔石墨烯(NPG)。NPG具有类石墨烯片层结构且表面具有大量介微孔道,同时具有适度的氮掺杂。大表面积和多孔结构提供了充足的吸附位点和快速传输通道,而N掺杂增强了与TC的π-π相互作用。更重要的是,NPG在50 mg·L-1TC溶液中的去除能力高达451.2 mg·g-1,远高于石墨烯、炭纳米管、活性炭。此外,TC在NPG上的吸附等温线和动力学与Langmuir模型和准二级模型非常吻合。TC和NPG之间显著增强的π-π相互作用和疏水作用,促使NPG的吸附能力随着石墨N含量的增加而线性增加。NPG在共存离子和腐殖酸共存时显示出较佳的抗干扰能力,并具有良好的可重复使用性。(3)龙虾壳中的甲壳素可以作为天然的氮源和炭源,无机成分可以充当自模板,结合混合盐活化剂(Na Cl和KCl)参与热解过程,不仅有利于生物炭的剥离,而且有利于N元素在生物炭中的保留,得到的ABC900具有5.81%的氮含量,比表面积达到758.68 m~2·g-1。TC的最大吸附容量可达到294.12 mg·g-1。将ABC900作为过二硫酸盐活化催化剂,其对四环素的催化降解表现出优异的性能。ABC900的缺陷和石墨N被确认为激活PDS的主要活性位点。根据猝灭实验和原位电子顺磁共振分析,四环素的降解可能主要涉及非自由基途径,单线态氧是主要的活性氧物种。
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