高分子廢棄物基吸附劑對有機污染物吸附的行為和機理.pdf

1、隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展以及城市化進程的不斷加快，高分子廢棄物在城市固廢中的比例也逐年增加，污染日益嚴重。對廢舊高分子制品進行無害化、減量化、資源化的綜合治理，已成為全世界刻不容緩的緊迫問題。鑒于高分子材料具有結構均一、灰分少、含碳量高的特點，以其為原料制備高效吸附劑被認為是利用高分子廢棄物的最有效方法之一。然而，目前關于高分子廢棄物基吸附劑的制備與表征大多僅限于對單一材料的研究，缺乏不同種類材料之間在裂解機理、孔隙形成以及物化性質(zhì)等方面

2、的比較，因此很難鑒別不同原材料在制備碳質(zhì)吸附劑方面的差異。此外，關于高分子廢棄物基吸附劑對有機污染物的吸附研究還比較少，吸附劑表面化學與結構特征對污染物吸附的調(diào)控機理尚不明確，因此有必要深入研究其內(nèi)在的吸附機理，為制備高效經(jīng)濟的高分子廢棄物基吸附劑并準確預測其吸附性能提供科學依據(jù)。
　　 本論文首先以3種常見的高分子廢棄物(即廢輪胎橡膠、PVC和PET)為原料，采用KOH活化的方法制各高比表面積活性炭，并以商業(yè)活性炭F400和多

3、壁納米碳管為對照，對高分子基活性炭的物理化學性質(zhì)進行了詳細的表征和比較分析，最后結合吸附動力學實驗、吸附熱力學實驗以及相關數(shù)學模型擬合，研究了高分子基活性炭對不同類型有機污染物的吸附行為和機理。其次，以廢輪胎橡膠碳化物為代表，探討了裂解溫度對高分子材料碳化物的組成、結構以及對有機污染物吸附性能的影響。本論文得到了以下主要研究成果：
　　 1．以廢輪胎橡膠、PVC和PET為原料制備的活性炭均具有發(fā)達的孔隙結構和較高的比表面積，其中

4、PVC基和PET基活性炭的BET比表面積分別高達2666和2831m2/g，顯著高于商業(yè)活性碳F400(1003m2/g)和輪胎橡膠活性炭(398.5m2/g)，說明高分子基活性炭的結構特點與其原料性質(zhì)緊密相關。PET聚合物結構中含有多個苯環(huán)，且均位于主鏈位置上，由于芳香性結構與石墨微晶結構的相似性，所以PET在高溫條件下，芳香性結構中的碳元素更傾向于參與石墨微晶的形成而不易損失，因此PET基活性炭孔隙結構非常發(fā)達。對于輪胎橡膠而言，其

5、主要組成成分為丁苯橡膠（即聚苯乙烯-丁二烯），雖然含有苯環(huán)結構，但其位于支鏈上，在高溫條件下容易與主鏈斷開而離開母體，所以其芳香性結構對于石墨微晶的形成作用甚微。此外，廢舊輪胎除了橡膠以外還含有較高的雜質(zhì)含量，也能夠抑制活性炭孔隙的形成，因此輪胎橡膠活性炭的孔隙結構不如PVC和PET基活性炭發(fā)達。
　　 2．對疏水性有機污染物的吸附動力學實驗結果表明，孔內(nèi)擴散機制是控制有機物吸附動力學的主要因素。PVC和PET基活性炭對各有機污

6、染物的吸附效率明顯高于輪胎橡膠活性炭、商業(yè)活性炭F400和多壁納米碳管。在吸附平衡實驗中，分子體積最小的三氯乙烯在輪胎橡膠活性炭和F400上表面積標化的親和力強于其他吸附材料，這是因為它們的孔隙結構中有較豐富的可與三氯乙烯分子大小相匹配的微孔存在，微孔填充作用促進了三氯乙烯的吸附。而體積較大的林丹分子在輪胎橡膠活性炭和F400上的吸附卻較弱，其原因是受林丹分子體積的限制，在輪胎橡膠活性炭和F400中存在無效吸附空間，即對林丹分子存在分子

7、篩效應。污染物在高分子廢棄物基活性炭上的吸附主要以分子間色散力為主，吸附能力不僅取決于污染物的疏水性和溶解度，還與可極化度密切相關。
　　 3．高分子廢棄物基活性炭對染料表現(xiàn)出很高的吸附效率和吸附容量，PVC和PET基活性炭在15min內(nèi)對染料的去除效率可達90％以上，最大吸附量超過2mmo1/g，對染料具有很強的吸附能力。溶液離子強度對PET基活性炭的吸附影響較大，表面活性劑對吸附的影響與其在水溶液中的濃度和電性密切相關。活性

8、炭對亞甲基藍的吸附強于甲基橙，兩種染料均不容易發(fā)生解吸。
　　 4．廢輪胎橡膠碳化物對有機污染物的吸附實驗表明，碳化溫度能夠調(diào)控碳化物的表面與結構特征，進而決定其吸附性能和作用機理。輪胎碳化物的比表面積、芳香性和疏水性隨碳化溫度的升高而急劇增加。相應地，有機污染物的吸附機理也從分配作用為主逐漸過渡到以表面吸附為主。分配作用和表面吸附的貢獻率主要取決于吸附質(zhì)的特點，例如疏水性、極性和電子供體/受體能力等。疏水性較強而極性很弱的1，