基于茶皂素的多孔炭材料的制备及应用

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多孔炭在工业领域占有重要地位。长久以来,我国的多孔炭都是从煤矿、石油等不可再生资源经过加工获得的,对环境造成污染,浪费资源,因此寻找新的原料制备多孔炭成为研究热点。在我国茶皂素产量巨大,但是其相关产品附加价值低。因此本论文利用茶皂素为原料制备多孔炭,将获得的产物分别应用于超级电容器电极材料与污水处理吸附剂,为茶皂素应用提供新的思路。研究内容如下:(1)以茶皂素为原料,分别通过直接热解法和活化法制备多孔炭,并对其结构进行表征。750℃时直接热解法制备的多孔炭CTS-750的比表面积只有200 m~2/g。以KOH作为活化剂制备多孔炭,在碱炭比为1:1、活化温度为750℃的炭化条件下获得的多孔炭ACTS-1.0的比表面积可达到1550.3 m~2/g,孔体积为0.77 m~3/g,平均孔径为2.34 nm,含氧量达到12.03%。(2)分别以CTS-750和ACTS-1.0作为超级电容器电极材料,在6 M的KOH电解液中进行电化学性能测试,电流密度为1 A/g时,其比电容分别为140 F/g和278 F/g;在倍率测试中,当充放电电流密度为2 A/g、5 A/g时,ACTS-1.0的比电容保有率可以达到92.8%、91.7%;同时在1 A/g的条件下循环10000圈后,ACTS-1.0的比电容保有率维持不变。(3)以壳聚糖水凝胶包裹茶皂素为原料,制备出壳聚糖凝胶-茶皂素(CT-TS)混合物,利用混合物外部水凝胶良好的分散性将KOH分散在CT-TS当中,然后在750℃通过活化法制备出多孔炭材料ACCT-TS-1.0。研究发现,ACCT-TS-1.0多孔炭的孔洞当中存在大量片状结构,比表面积高达3504 m~2/g,孔体积为6.039 cm~3/g;通过元素分析发现在该多孔炭中氧元素含量达到了12.85%,氮元素含量接近2%。(4)将制得的ACCT-TS-1.0多孔炭应用于废水处理吸附剂,考察了p H值、ACCT-TS-1.0添加量、吸附时间、亚甲基蓝和Pb2+初始浓度和吸附温度对其吸附性能的影响。研究发现ACCT-TS-1.0对亚甲基蓝和Pb2+饱和吸附量分别达到610.1mg/g和57.95 mg/g。通过吸附动力学和热力学拟合,ACCT-TS-1.0对亚甲基蓝和Pb2+的吸附过程遵循准二级和Langmuir等温模型;经过范霍夫方程的拟合,吸附过程均为放热反应,而且可以自发进行。吸附机理的研究结果表明,ACCT-TS-1.0对亚甲基蓝和Pb2+的吸附主要是通过物理作用和化学作用共同完成。
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