氮掺杂活性炭材料的制备及性能研究

【摘要】：氮掺杂的炭材料,因其引入富电子氮的存在,使得它在电化学方面和催化应用中有广阔的发展空间。而材料表面的含氧官能团对活性炭的吸附性能起着重要的作用。因此,本文在氮掺杂活性炭的工艺研究上采用表面氧化改性技术,提高其表面含氧官能团的含量,增强表面极性以及对极性物质和金属离子的吸附性能。本文在分析氮掺杂和氧化改性的文献研究基础上,首先对活性炭进行氮掺杂处理,样品分别采用元素分析、SEM、BET、FT-IR、XRD、XPS等手段进行表征;其次选择Hummers法对所得炭氮材料进行了氧化改性,对所得样品进行汞离子吸附试验,考察了吸附剂用量和pH对吸附性能的影响,进行了动力学研究。结果表明,在氮掺杂实验中三聚氰胺和二氰二胺的改性效果最好。红外光谱显示,氮在活性炭中具有C=N、C-N、-NH或-NH2等形态存在,XPS结果显示,多孔炭材料NC含有一定量的吡啶氮、吡咯氮、季氮和氮氧化物;材料NC的含氮官能团以氨基官能团为主,而经高温处理的材料NC-HTR上则含有比较多的吡啶氮和季氮。氧化改性实验中,红外光谱说明在制备的材料中有一定数量的含氮官能团和少量的含氧官能团;XRD结果显示,氧化过程和还原过程都对材料的内部结构产生了很大影响。对商用活性炭和自制炭材料NC与NC-OR进行了汞离子吸附试验和材料的汞损失率测试,实验发现材料表面的弱碱性活性中心是水体中汞离子吸附的主要活性位,且材料的吸附速率很高;发现材料的载汞能力保持在11%到12%之间,负载性能非常好。