三聚硫氰酸修饰生物质碳气凝胶的制备及其吸附处理水体中重金属的研究

Adsorption method has many advantages in treating heavy metal pollutants in water, which catch the attention of researchers and there are important scientific significance and great practical value by research and development the high adsorption capacity, high adsorption rate, low price, simple preparation of novel adsorption materials for adsorption of heavy metal in water. In this project, biomass carbon aerogels are fabricated via a hydrothermal carbonization and ambient temperature drying using biomass materials as precursors. After activation, the trithiocyanuric acid structure which could complex the heavy metal are bonding at the surface of carbon aerogel by using the hydroxyls, and the trithiocyanuric acid modified biomass carbon aerogels has great physical adsorption and chemical adsorption ability. The adsorption of various types of heavy metal in water are investigated by using the biomass carbon aerogels. The relationship between structure and adsorption properties will be summarized. The mechanism of adsorption of heavy metal ions on the surface functional groups of carbon aerogels will be clarified and references for design of biomass carbon aerogels with high adsorption capacity and fast adsorption rate will be provided. The completion of the project will provide a new clew for the development of carbon aerogel adsorbent, and provide a new way for the removal of heavy metal in water.

吸附法处理水中重金属污染物具有诸多优点，受到了科研工作者的关注，而研制和开发具有高吸附容量、高吸附速率、价格便宜、制备简单的新型吸附材料，对于吸附处理水体中重金属污染物具有重要的科学意义和巨大的实用价值。本项目拟选择生物质材料为前驱体，采取水热碳化法结合常温干燥技术，构筑高比表面积、高孔隙率的生物质碳气凝胶，对其进行活化，利用碳气凝胶表面羟基将具有与重金属络合能力的三聚硫氰酸结构通过碳氧键修饰在碳气凝胶表面，以期获得同时具备良好物理吸附和化学吸附能力的生物质碳气凝胶，将其应用于水体中各类重金属的吸附处理研究，揭示其吸附性能与其结构之间的相互关系，阐明碳气凝胶表面官能团吸附重金属离子的作用机制，为设计吸附量大，吸附速率快的生物质碳气凝胶提供借鉴；该项目的完成为碳气凝胶吸附剂的开发提供了新的思路，同时对吸附去除水体中重金属污染物提供了新的途径。

针对水体中重金属污染这一亟待妥善解决的环境问题，开展三聚硫氰酸修饰生物质碳气凝胶的制备及其吸附处理水体中重金属污染物的研究。选取青笋、甘蔗等生物质材料，采取水热碳化法结合冷冻干燥技术，构筑高比表面积、高孔隙率的生物质碳气凝胶，利用碳气凝胶表面羟基将三聚硫氰酸结构修饰在碳气凝胶表面，成功制备出具有良好物理吸附和化学吸附能力的生物质碳气凝胶。通过对水体中各类重金属离子的吸附研究，揭示其吸附性能与其结构之间的关系，重点阐明碳气凝胶表面官能团吸附重金属的作用机制。研究发现，不同生物质基底材料水热碳化制备的生物质碳气凝胶形貌都以自身的三维骨架结构为基础，水热碳化法制备生物质碳气凝胶，对于碳气凝胶材料的形貌很难控制，反应温度、反应时间都会对生物质碳气凝胶的形貌产生影响。三聚硫氰酸修饰生物质碳气凝胶的制备过程中，生物质碳气凝胶的活化最佳时间为6小时；三聚氯氰和碳气凝胶最优质量比为2∶1；三聚氯氰和碳气凝胶的最佳反应温度为60℃～70℃，最优反应时间为10～12h；与硫化钠反应，温度不宜过高。将修饰前与修饰后的生物质碳气凝胶对水体中重金属离子的吸附性能进行对比，结果表明，生物质碳气凝胶经三聚硫氰酸修饰后，对于重金属离子的吸附率有了很大的提升，这是因为三聚硫氰酸已被证实能够与金属离子形成络合物，将三聚硫氰酸通过化学键修饰到气凝胶的表面后，使得气凝胶对金属离子的吸附不再仅仅是物理吸附，还增加了化学吸附，其中物理吸附是由于气凝胶比表面积大，孔隙率高从而使重金属离子能被气凝胶吸附并扩散到内部的孔道中。化学吸附是由于金属离子与气凝胶表面的三聚硫氰酸结合形成络合物，两方面共同作用从而使得修饰后的生物质碳气凝胶对重金属离子的吸附率得到提升。本研究丰富了水体中重金属离子吸附剂的种类，建立了吸附法高效处理水体中重金属污染物的新途径，为设计吸附量较大，吸附速率较快的生物质碳气凝胶提供借鉴。