生物基碳质气凝胶的制备及其吸油性能研究

论文摘要

随着全球经济的发展,各国对石油的需求量急剧增加,而石油运输主要是通过海上运输,油轮遭遇海难受损导致原油泄漏的事故也是频频发生。石油污染严重影响生态环境和人类健康。因此处理原油污染问题迫在眉睫。目前处理原油污染的方法主要有物理方法,化学方法和生物方法。以上方法在使用的过程中都有一定的局限性,物理方法一般在海面或河面风速不高,海面风浪不大的情况下选用物理方法,优点是操作简单,缺点是当海面风浪较大,水流速度较快时,对机械要求比较高而且除污效果不理想,在工作过程中存在着安全隐患。在恶劣的气候条件下,或深水区域条件下,吊杆和撇油器不能发挥作用时处理原油问题选用化学方法具有很大的优越性,化学方法主要有向污油海面上加入分散剂除污,另外一种就是选择就地焚烧处理污油。优点是可以快速除污,操作简单快捷。缺点是分散剂成本太高,不经济实惠,就地焚烧虽然成本小,又可以快速除污,但是对环境污染比较大,还会产生二次污染。生物方法处理污油时很少产生污染,不会破坏水域的生态系统,属于环境友好型的除污方法,但是生物除污时间周期较长,除污速度较慢。以上除污方法在使用时都会受到各种各样的条件限制,在处理油污时不能起到通用、快速、高效、可持续、可回收的效果。为了改善传统除油污方法的这些不足,我们拟开发出一种能够做到通用、高效、廉价、可持续、可回收的吸油材料。碳气凝胶具有比表面积大,高孔隙率,低密度,具有不间断的三维网状结构的特性和良好的机械性能,常作为吸附材料用于废水的处理（比如油水分离,水中重金属离子的去除等）。另外,生物质材料成本低廉,碳源丰富,是碳质气凝胶制备中最经济、环保和可持续性的原料,因此我们选用生物质为原料制备生物质碳质气凝胶,并对其修饰,制备出亲油/疏水的碳质气凝胶材料,使其可以快速高效的处理油污。基于以上研究目标和理念,我们进行了一系列的实验研究,所得研究结果主要有以下三个方面:（1）在生物基碳质气凝胶的制备实验中,我们发现软质的植物组织经水热碳化主要产生碳纳米颗粒,其宏观和微观结构均发生显著变化;固定结构的硬质植物组织能够保留外部形状以及大范围内的宏观和微观结构特征,并在纳米尺度上产生了显著的结构变化,形成微/介孔网状结构,所以我们选用了硬质植物作为碳源制备碳质气凝胶。（2）以生物质莴笋为碳源,采用简单的一步低温水热碳化法,制备出一种低成本、环境友好的碳质气凝胶（命名为CA）,在温和的实验条件下对以莴笋为原料的碳质气凝胶进行修饰,制备成亲油/疏水的碳质气凝胶（命名为PDMS-CA）,后将其应用于吸油实验中。并对制备的PDMS-CA材料理化性能进行了分析,CA经PDMS修饰后,其水接触角从0°急剧升高到144.2°,表明PDMS-CA的具有疏水/亲油性;通过SEM电镜我们可以看出,PDMS-CA骨架表面粗糙,并有许多小峰,这类似于荷叶表面结构;利用N2吸附-解吸等温线并结合人工孔体积测定方法研究了制备的PDMS-CA的孔隙性质,实验结果表明PDMS-CA的BET表面积和孔隙体积分别为16.02 m2g-1和4.13 cm3g-1,其较小的表面积和较大的孔隙体积表明PDMS-CA具有宏观大孔结构;PDMS-CA对原油、柴油、正己烷、花生油和机油的吸附容量分别为10.6 g·g-1、8.4 g·g-1、3.3 g·g-1、9.g·g-17和11.4 g·g-1;通过IR和XPS验证了PDMS对CA的成功修饰;并讨论了电源电压、油料黏度以及吸油管口高度对PDMS-CA材料吸油性能的影响。（3）与莴笋相比,生物质丝瓜中的纤维含量更高,且本身具有一定的孔洞结构。此外,丝瓜的耐腐蚀性优于莴笋,且其中含有的丝瓜络也具有一定的吸附作用。因此,我们以生物质丝瓜为碳源制备出生物质碳质气凝胶（命名为CAAS）,并对其表面进行了修饰,最终得到亲油/疏水的碳质气凝胶材料（命名为PDMS-CAAS）,且对PDMS-CAAS的理化性能和以PDMS-CAAS为基础的吸油装置的吸油机制进行了深入研究。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   第一节 油料泄漏的危害
•     1.1.1 污染的主要来源
•     1.1.2 污染对环境的危害
•       1.1.2.1 石油污染对海洋环境的危害
•       1.1.2.2 对大气环境的危害
•       1.1.2.3 对土壤环境的影响
•   第二节 海上原油污染的主要处理方法和其优缺点
•     1.2.1 物理方法
•     1.2.2 化学方法（清除剂或分散剂）
•     1.2.3 生物方法
•   第三节 选题的意义及实验的思路
• 第二章 碳质（生物质莴笋为碳源）气凝胶的制备及吸油性能研究
•   第一节 引言
•   第二节 实验部分
•     2.2.1 试剂与材料
•     2.2.2 实验仪器及图片来源
•     2.2.3 碳质气凝胶的制备
•     2.2.4 用PDMS修饰碳质气凝胶
•     2.2.5 吸油实验
•     2.2.6 油收集装置
•     2.2.7 细胞活性实验
•     2.2.8 孔体积测定方法
•   第三节 实验结果与讨论
•     2.3.1 材料表征
•     2.3.2 自吸泵电压大小和油粘度对材料吸油率的影响
•     2.3.3 吸油管管口高度对吸油性能的影响
•     2.3.4 材料的应用
•     2.3.5 PDMS-CA吸油机制
•     2.3.6 材料安全性
•   第四节 本章小结
• 第三章 碳质（生物质丝瓜为碳源）气凝胶的制备及表征
•   第一节 引言
•   第二节 实验部分
•     3.2.1 试剂与材料
•     3.2.2 实验仪器
•     3.2.3 碳质气凝胶的制备
•     3.2.4 用PDMS修饰碳质气凝胶
•     3.2.5 吸油实验
•     3.2.6 自制吸油收集装置
•     3.2.7 孔体积测定方法
•   第三节 实验结果与讨论
•     3.3.1 材料表征
•     3.3.2 材料安全性
•     3.3.3 油粘度和自吸泵电压对吸油效果的影响
•     3.3.4 吸油管高度对吸油性能的影响
•     3.3.5 PDMS-CAAS吸油材料的重复使用实验
•   第四节 本章小结
• 第四章 总结与展望
•   4.1 工作总结
•   4.2 下一步工作设想
• 致谢
• 参考文献
• 附录：读研期间科研情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴奎

导师: 吴根华

关键词: 碳质气凝胶,原油污染,吸附,生物基碳质气凝胶,吸附剂

来源: 安庆师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,有机化工,环境科学与资源利用

单位: 安庆师范大学

分类号: X55;TQ427.26

总页数: 53

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