新型含镁纳米晶体黑碳材料及其对磷的高效吸附机制研究

Black carbon/ biochar converted from agricultural residues or other wastes may provide new methods and materials for environmental management, particularly with respect to carbon sequestration and contaminant remediation. However, the use of carbon/biochar to remove phosphate from aqueous solutions is still an emerging concept with few published literature. Carbon residues from spent batteries after metal extraction have advantages in huge quantity and superior carbon matrix structure. In this study, these battery carbon residues will be used to synthesize novel black carbon adsorbents with high phosphate removal ability, in order to cut cost and reduce environmental pollution. Our previous study has proved that phosphate sorption ability of black carbon relied on its magnesium content. Therefore, this study aims at building nano-sized magnesium on the surface of carbon matrix using various pretreatment methods to improve its phosphate sorption ability. Laboratory adsorption experiments and more than 10 mathematical models including kinetics and equilibrium isotherms equations will be used in this study to determine the sorption capacities and mechanisms and characteristics of phosphate adsorption onto the novel Mg- black carbon nanocomposites. Physicochemical properties and elemental analysis of the black carbon produced will be characterized in details, in order to assess the influences and mechanisms of magnesium nanoparticles related to phosphate removal, and further optimize the Mg-black carbon nanocomposites preparation methods and techniques.

近年来，由生物质能原料或其他废料制备的黑碳/生物碳为环境保护，尤其是碳固定和污染物治理提供了新材料和新思路。但其对磷的有效去除仍罕见报道。废旧电池回收金属后余下的碳渣和多孔碳材料，产量大，材料性能较好。本项目拟采用此种电池废料为原材料，制备新型高效除磷黑碳吸附剂，节约生产成本，降低对环境的损害。我们前期研究证实，黑碳除磷能力与其表面镁含量成正相关。本项目拟通过氧化性酸预处理活化、化学沉降等多种方法，在碳基质表面生成纳米级镁晶体，以提高其磷吸附容量。研究制备的新型含镁纳米晶体黑碳的除磷效率，对吸附过程应用吸附动力学和吸附等温线等10余种数学模型进行拟合，计算磷最高吸附容量并探讨吸附机理。通过对此黑碳材料进行元素分析、结构及理化性质的表征，完善理论分析，阐明镁元素的添加对体系的表面结构、除磷能力的影响及作用规律，不断优化制备方案，为材料功能化设计提供有效的知识与技术积累。

移动电子设备和电动汽车行业近年来的快速发展，势必产生大量的废旧储能器件，如废旧的锂离子电池和超级电容器。黑碳材料是锂离子电池负极和超级电容器电极的主要材料，但是目前几乎没有关于废旧储能器件中黑碳材料资源化利用的研究。本项目主要围绕“废旧储能器件中黑碳材料用于制备高性能污水吸附剂”的主题开展研究工作。首先，本研究首次使用商业锂离子负极黑碳材料（MCMB）为原材料制备出新型含镁纳米晶体黑碳材料，将其用作含磷污水吸附剂。探究了含镁黑碳吸附剂的物理化学性质，和它对污水中磷的初步吸附效果。在此基础上，使用废旧锂离子电池中回收的黑碳（C），制备出含镁纳米晶体黑碳材料Mg-C，对吸附磷前后的材料进行物理化学表征实验阐明了其对磷的吸附机理，批量吸附实验表明Mg-C对磷具有优异的吸附性能，特别是最大吸附量高达588.4 mg/g。然后，本研究还对废旧锂离子电池负极黑碳人工石墨粉（AG）进行表面修饰，使其表面成功负载一层均匀的MnO2纳米颗粒，显著提高其对污水中重金属Pb(II), Cd(II)，和 Ag(I)的去除率。并阐明MnO2-AG对三种重金属吸附的主要机理，吸附实验结果表明其对三种重金属离子具有较好的吸附性能，可以作为一种污水中重金属高效吸附剂。最后，本项目还探索使用超级电容器电极用的活性炭（SAC）作为多孔黑碳材料，用于污水中Ag（Ⅰ）和Cr（Ⅵ）吸附。研究结果发现，购买的（SAC）和回收的（RSAC）多孔黑碳材料都具有极大的比表面积，孔结构丰富且表面富含多种含氧官能团，对Ag（Ⅰ）和Cr（Ⅵ）的主要吸附机理是将重金属离子还原为低价态的化学吸附，且都具有很高的最大吸附量。本项目为废旧储能器件中黑碳材料的资源化利用开辟了一个新的思路，并为这类黑碳材料制备成低成本高效吸附剂奠定了实验和理论基础。