论文总字数：13571字

目 录

第一章 概述 1

1.1前言 1

1.1.1沉降法 1

1.1.2吸附法 2

1.1.3降解法 2

1.2活性炭介绍 3

1.2.1活性炭表面官能团 3

1.3活性炭表面化学改性 3

1.3.1氧化改性 3

1.3.2还原改性 4

1.3.3酸碱改性 4

1.3.4等离子体改性 4

1.4国内外磺酸化碳材料研究现状 4

1.5实验研究内容、研究目的和意义 4

1.5.1研究内容 4

1.5.2研究目的和意义 4

第二章 实验部分 6

2.1实验仪器及化学试剂 6

2.1.1实验仪器 6

2.1.2实验原料与试剂 6

2.2试验方法 6

2.2.1活性炭的干燥 6

2.2.2磺酸化活性炭制备的实验步骤 7

2.3常用简写和符号的说明 7

2.4分析方法 7

第三章 结果与讨论 8

3.1 普通活性炭与磺酸化活性炭的结构 8

3.2磺酸化过程中官能团变化的研究 9

3.3磺化过程中元素含量变化的研究 10

3.4 SAC的降解性能测试 10

3.4.1磺胺嘧啶溶液的制备 11

3.4.2降解实验 11

3.4.3降解比较与分析 12

第四章 结论与展望 13

4.1 结论 13

4.2 展望 13

参考文献 14

致谢 16

磺酸化活性炭的制备及其在污水处理中的应用

刘王子

, China

Abstract: Sulfonated active carbon (SAC) was synthesized by a sulfonation reaction of active carbon with sulfuric acid and NaVO₃, which was used as a catalyst, for degradation of sulfadiazine in wastewater. FT-IR spectrum of SAC showed that -SO₃H groups were grafted on surface of SAC. SAC was used as a catalyst to degrade sulfadiazine in water. Experimental results suggested that SAC would be an efficient photocatalyst for removing sulfadiazine from wastewater.

Key Words: Sulfonation ; Functional active carbon ;Wastewater treatment ;Sulfadiazine

第一章 概述

1.1前言

污水处理以及资源化，是如今研究的热点之一。污水中的污染物包含：有机污染物和重金属离子，有机污染物有动物养殖场排放污水、生活污水和大部分工业污水中存在的碳水化合物、脂肪、蛋白质等，以及人为制造的有机物质，例如：C₆H₆Cl₆、滴滴涕、多环芳烃等污染物^[1]。重金属离子主要有：铜、铬、镍、铅、汞等。

污水中的污染物所形成的危害可体现在以下几个方面：（1）可招致慢性中毒和急性中毒事件的发生，水体遭到有毒有害化学物质污染后，可以在食物链中逐层富集，而且生物饮水以后便可能造成生物中毒^[2]。水俣病、痛痛病等驰名中外的事情即是由水体污染导致的。（2）可以导致癌症，如一些重金属离子以及有机物等有致癌作用的化学污染物污染水体后，被水体中吸附性物质吸附，也会在水生动植物体内汇集，人在长时间内饮用含有此类物质的水，以及食用体内累积有此类物质的生物(水生动物，食用性水生植物)后就可能会致癌。（3）招致传染病的爆发，人类和动物粪便等生物污染物的进入会污染水体，人们在饮用后能够引起细菌性肠道传染病，如伤寒、痢疾、肠炎等。LeRA和常见肠道病毒如Ke Saqi病毒、脊髓灰质炎病毒、感染性肝脏炎性病毒等感染性疾病都是由水污染引起。（4）使水体恶化，如某些污染物在低浓度时，对人体安全虽无直接威胁，但会导致水体生出臭味，水体浑浊，在水体表层还有会有油膜或泡沫等存在，会阻碍水体的正常使用。重金属离子不单单会抑制微生物的成长和繁殖，而且还影响水体中的有机物分解和生物氧化等水体的自净进程，降低水体的自净能力。

目前，污水处理的方法有沉降、吸附、降解等，其中：吸附法具备设施操作方便、测试高效等长处，常用的吸附剂有各种活性炭吸附剂和金属、非金属氧化物吸附剂^[3]。活性炭不仅对重金属离子有吸附作用，还对大分子有机物、芳香族化合物和卤代烃均具有较强的吸附能力。使用后的活性炭，经过解吸或者其他方式的处理，可以将其吸附的金属离子回收再利用，实现资源化。

1.1.1沉降法

沉降法分为物理沉降和化学沉降。物理沉降主要为重力沉降法。化学沉降中常用的为混凝沉降法，在化学混凝剂的作用下，将污水中的可絮凝的物质、悬浮物以及胶体凝聚成絮团，而后通过沉降设施把絮凝后的污水进行固相液相的分离，絮团沉入沉降设备底部后成为泥浆，而水层则变为色度和浊度较低的清水^[4][5]。混凝沉降法去除的对象为污水中微小悬浮以及胶体状态的无机和有机污染物，从直观方面而言，也就是去除污水的浑浊度和色度。而且如砷、汞等某些溶解性物质，还有可以导致水体富营养化的元素，混凝沉淀法也可以去除。

混凝沉淀法中起重要作用的是混凝剂，常用的混凝剂有：硫酸亚铁、硫酸铝、三氯化铁、有机高分子类等，混凝剂的使用，可缩短沉降时间，降低成本费用 ^[6]。而且大多数的混凝剂如聚硅酸铝等来源广泛，价格低廉且没有毒性，具有优良的混凝沉降性能，降低水处理成本，实际应用价值很大，经处理后的水可直接排放。

1.1.2吸附法

吸附法是采用合适的吸附剂，利用吸附剂特有的性质去吸附水中的有机和无机污染物，达到富集目的，然后通过处理吸附剂进而处理水中的污染物质的方法。

吸附过程是吸附剂、污染物质以及污染物质所溶溶剂之间的相互作用。吸附剂吸附过程中，污染物在其所溶溶剂中的溶解度不同，进而溶剂会对污染物产生相对的力，当污染物与溶剂的化学性质接近时，污染物溶解的程度就越大，溶剂对污染物的排斥力就越小，吸附剂吸附污染物的力就越小;相反的，污染物与溶剂的化学性质不同时，污染物在其溶剂中的溶解程度越小，吸附剂吸附污染物的力就越大^[7]。例如，在水溶液中，水具有极强的极性。一些非极性有机化合物容易被水排斥，容易吸附在非极性吸附剂的表面上。

科技的飞速发展，金属的大量使用与消耗，在人们长期超量的开采以后，造成重金属资源紧缺，其作用又无法替代。很多金属以离子的形式存在于水体或者其他地方，其分散范围之大，浓度之低，使很多有回收再利用的科学家望而却步。使用吸附法吸附污水中的重金属离子，达到富集的目的，其操作方便、成本低廉、效果显著，且吸附重金属离子的吸附剂可以视作金属矿，运用各种方法获得其中的金属，从而实现治理与资源化的双重效果，还符合可持续发展和循环经济的要求^[8]。

常使用多孔材料作为吸附剂，以其丰富的孔洞结构，较大的吸附容量，可吸附储存金属离子。常用的有：活性炭、沸石、硅藻土等。当然，工业生产中的废弃物也可以作为吸附剂生产的原材料，其本身具有的特殊性质，稍加制作与修饰就可以成为优秀的吸附材料，不仅可以实现资源全利用，还能消除浪费。主要有：煤灰粉、工业污泥、高炉渣、米糠、稻壳、花生壳、麸皮、甘蔗渣等。

1.1.3降解法

污水中有机污染物的排放量大、毒性大且成分复杂难以降解，是众多环境保护者的研究热点之一。有机物的降解，其基本原理为氧化，将环状大分子的有机物逐步氧化分解为链状大分子有机物，再将链状大分子有机物氧化为小分子，最后变为对环境无害的物质，回归到环境中^[9]。现如今常用的有机污染物处理方法有很多，例如工业上使用的硝化法与反硝化法，还有好氧菌种以及厌氧菌种对于有机物的降解等。

有机污染物大多含有苯环，在催化剂存在的情况下，催化剂表面形可产生氧化自由基如·OH自由基等，可以将难降解大分子有机物中的苯环变为易降解的直链分子，从而加速有机污染物的氧化，使得有机污染物最终被完全氧化产生二氧化碳、水以及其它的如硝酸根离子、硫酸根离子、磷酸根离子和卤素等无机离子，从而实现有机污染物的降解以及污水的处理^[10][11][12]。

但是如今使用的降解催化剂，无论是载体还是负载物，都来源稀少，成本高昂，尽管被科研人员研发出来，但是实际使用价值不高，无法抵挡如今污染的洪流。所以，寻觅一种易获得且易制取的，效果显著的催化剂，是如今科研人员的使命。

1.2活性炭介绍

活性炭的主要成分为碳，并含少量O、H、S、N等元素，具备很好的吸附性能，在生活中可以用于气味的消除，例如：鞋子中臭味、冰箱中的异味、新装修房子中的甲醛气体等；工业上可用来吸附物质达到富集或者清除的效果，活性炭拥有的很多性质，都满足其作为吸附剂的要求，而且还可以通过改性赋予它更好的性能，从而在各个领域都可以适用，其吸附性能由其物理性质以及表面化学性质共同决定^[13]。

1.2.1活性炭表面官能团

活性炭表面的官能团各自有各自的性质，每种官能团的性质不仅取决于自身，还会受到其他官能团性质的影响，官能团的数量和种类，以及相互影响的作用，决定了活性炭的性能与用途，其中含氧官能团的含量与用处最多最大，活性炭的性质中，例如：亲水性、疏水性、催化性质、吸附能力等，很大程度受其影响^[14]。活性炭表面主要含氧官能团其结构如图1-1所示。

图1-1活性炭表面的含氧官能团

1.3活性炭表面化学改性

活性炭表面的官能团的多少、什么样的官能团以及其含有的杂原子的综合性质确定了活性炭的化学性质，官能团的不一样、化合物和表面杂原子的各异性，致使活性炭在吸附不同的物质时有明显的不同^[14]。因此，通过化学改性的方法改变活性炭所含官能团，或者改变其含有的杂原子类型与数量，给予活性炭更好的选择吸附性，成为如今研究的热点之一。

活性炭表面的官能团决定着活性炭所拥有的各种化学性质。但是，原材料的性质以及对原材料使用的活化方法又直接关系着活性炭的各种性质^[15]。所以，使用优质的原材料或者改进活化方法，就能够使活性炭的性能改变。如今常用的活性炭表面改性方法为活性炭氧化改性、活性炭还原改性、活性炭酸碱改性、活性炭等离子体改性。

1.3.1氧化改性

强氧化剂的强氧化性可以在一定的温度下改变活性炭表面官能团的性质，使活性炭表面拥有更多的含氧基团，增强活性炭表面极性。如今，HNO₃、H₂O₂、HClO等常见的强氧化剂用于活性炭表面的氧化改性^[16]，使得酸性基团数量明显增多，吸附性更为提高。尤其一些经HNO₃氧化改性的活性炭，对于三卤甲烷等有机物的吸附性的提高有明显作用。

1.3.2还原改性

还原剂的还原作用，可以减少活性炭原表面的酸性基团，增多碱性基团以及碱性基团的占比。而碱性基团的增多，会增强活性炭表面非极性，不仅增大了活性炭对非极性的污染物的吸附容量，还能加快其吸附速率。例如：氨水以及苯胺还原改性活性炭表面以后，活性炭表面的阴性基团的非极性吸附能力明显增强。

1.3.3酸碱改性

使用酸性物质与碱性物质来改变活性炭表面性质。通过使用酸性改性剂与碱性改性剂，两次酸碱改性以后，不仅可以加快活性炭表面的吸附速率，还能增大活性炭的吸附容量。实际生产中，试验人员可以按照实际要求来改变活性炭表面原本具备的官能团数量。

1.3.4等离子体改性

通过一些可引入含氟以及含氧、氮的官能团的CF₄等离子体和氧氮等离子体的作用，去对活性炭进行改变，使得改性后的活性炭在一些鲜为人涉猎的领域中有良好的效果。有学者为了增强活性炭对碱性燃料的吸附性能，使用远程等离子体表面改性对活性炭进行改性。改性以后的活性炭表面的含氧官能团数目增加，而且也加大碱性染料的吸附容量与性能。

1.4国内外磺酸化碳材料研究现状

在国外，Baik^[17]等学者通过对CO₂衍生的多孔碳的磺化，增强了碳材料对水中锶离子的吸附能力和选择性,有效地净化核电厂等地方的污水^[18]。YV Larichev^[19]等学者通过研究矾化合物在磺酸化中的催化作用，研制出一种代替发烟硫酸和氯磺酸的磺酸化碳材料的生产方法，降低生产过程的危险性，使磺酸化碳材料的工业化得以推广^[20]。Avanish Shukla^[21]等科研人员在聚合物电解质燃料电池中，用多壁碳纳米管与磺化石墨烯纳米带制作出纳米复合膜。通过测试，复合膜的离子交换容量、质子电导率和吸水率与原始的膜相比机械稳定性更高^[22]。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：13571字

相关图片展示：