生物质基碳材料的制备及应用研究

【摘要】地球上的能源可以被储存、转换或以不同的方式被利用。能源资源可以分为两种：1.不可再生资源（例如煤炭、原油、油页岩、天然沥青、超重油和天然气等）；2.可再生资源（太阳能、风能、潮汐能和生物能等）。随着全球工业的迅速发展，大量的煤炭、石油等不可再生资源不断被消耗，造成资源的短缺，随之而来的就是大量的CO2、SO2等有害气体的排放，引发“温室效应”，造成环境污染。因此我们必须寻找一种新的能源来减少或者替代不可再生资源的消耗。生物质是一种真正的可再生资源，由动植物资源组成，如农业、林业、工业以及生活废弃物等。生物质的利用是一个模仿自然的过程，相对于化石燃料来说它不会增加环境中二氧化碳的含量。在所有的可再生能源中，生物质是独特的，它有效的储存了太阳能。此外，生物质是唯一可以转化为固态、液态和气态燃料的可再生资源，可以代替化石资源制备一系列化工产品，备受世界科研工作者的青睐。基于上述研究背景，本论文从以下几方面进行研究：（1）以木糖为代表的五碳糖和果糖、葡萄糖为代表的六碳糖为原料，硫酸作为催化剂，在较低的温度下经过脱水缩合制备胶体炭。在上述原料的基础上引入苯酚，以相同的反应条件制备胶体炭。计算两种方法得到胶体炭的产率和碳元素的转化率，结果表明苯酚的引入可以提高胶体炭的产率和碳元素的转化率。木糖基胶体炭、果糖基胶体炭和葡萄糖基胶体炭的产率分别提高了5.85%、12.75%、17.58%，碳元素的转化率分别提高了11.06%、21.37%、27.57%。此方法还可以延伸到复杂生物质（稻壳、玉米芯等）的利用上，实现资源的高值化利用。通过XRD、TEM和FTIR的分析发现，单糖基胶体炭是表面光滑、粒径均匀的碳球，而且表面带有大量的有机官能团（C=C、O-H、C=O、C-H和C-O），并有一定的石墨化趋势。本文在上述基础上研究了胶体炭的合成机理。（2）以胶体炭为原料，磷酸为活化剂，采用选择性反应和定向刻蚀造孔技术制备多孔炭。探讨反应温度、反应时间、浸渍比对多孔炭微观结构以及表面性能的影响，并确定最佳活化条件。木糖基多孔炭的最高比表面积为2160m2/g，果糖基多孔炭的最高比表面积为2180m2/g，葡萄糖基多孔炭的最高比表面积为2300m2/g，木糖加苯酚基多孔炭的最高比表面积为1325m2/g。多孔炭具有良好的电容性能，讨论活化条件对多孔炭电容的影响，并确定木糖基多孔炭、果糖基多孔炭、葡萄糖基多孔炭和木糖加苯酚基多孔炭的最大比电容分别为182.0F/g、157.6F/g、148.0F/g、158.1F/g。多孔炭对Cr（Ⅵ）有很强的吸附能力，研究吸附条件（时间、温度、初始浓度、吸附剂用量、pH值）对多孔炭吸附能力的影响，并确定木糖基多孔炭、果糖基多孔炭、葡萄糖基多孔炭和木糖加苯酚基多孔炭的最大吸附量分别为89mg/g、87mg/g、82mg/g、140mg/g。用磷酸作为活化剂具有很高的产率，高产率有利于实现工业化生产。木糖基多孔炭的最高产率为89.0%，果糖基多孔炭的最高产率为66.6%，葡萄糖基多孔炭的最高产率为68.9%，木糖加苯酚基多孔炭的最高产率为76.7%。（3）以废弃稻壳（去除木质素和二氧化硅）为原料，经过环氧氯丙烷、DMF、二乙烯三胺、三乙胺的改性制备高吸附性能的碳材料，研究吸附条件（时间、温度、初始浓度、吸附剂用量、pH值）对改性稻壳吸附性能的影响，并确定吸附Cr（Ⅵ）的最佳条件：初始浓度为400mg/L，投加量为0.06g，吸附时间为12h，较低的pH和较高的反应温度有利于吸附量的提升。改性稻壳对Cr（Ⅵ）的最大吸附量为120mg/g。本论文通过具体的实验以及物理化学表征方法，研究了以单糖为原料制备胶体炭的性能、微观结构以及合成机理。胶体炭的制备过程中引入苯酚，可以提高胶体炭的产率和碳元素的转化率。以胶体炭为原料制备高性能的多孔炭材料具有很好的电化学性能和吸附性能。废弃稻壳经过化学改性制备高吸附性能的碳材料，可以应用在污水处理方面。生物质的综合利用可以实现二氧化碳的负增长，创造巨大的经济价值，为环境保护奠定基础。
【作者】赵凯；
【导师】郭玉鹏；
【作者基本信息】吉林大学，物理化学，2014，硕士
【关键词】单糖；苯酚；稻壳；碳材料；电容；吸附；

【参考文献】
[1]何时凤.中国市场反转现象研究[D].南京大学,会计学,2013,硕士.
[2]周昊.电动缸位置伺服控制系统设计[D].大连海事大学,机械工程,2014,硕士.
[3]刘鸿杨.交际教学法在基于计算机和网络的大学英语听说教学中的应用[D].广西师范大学,学科教学,2013,硕士.
[4]李若君.德沃金权利思想研究[D].苏州大学,法律（专业学位）,2014,硕士.
[5]孙宝龙,黄晶,金铁城,斯庭智,张庆安.MgH_2-graphene复合储氢材料吸放氢性能[J].安徽工业大学学报(自然科学版),2012,01:25-28+32.
[6]王怿晨.移动互联网应用网络传输性能优化策略研究[D].郑州大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[7]王志秋.三环染料和金刚烷胺Shiff碱对BSA的作用及声化学活性的研究[D].辽宁大学,无机化学,2012,硕士.
[8]张本杰.对云南声乐作品获得中宣部“五个一工程奖”的展望与分析[D].云南艺术学院,MFA声乐表演,2014,硕士.
[9]谷云峰.SMP强度准则在岩土工程计算中的应用[D].合肥工业大学,岩土工程,2004,硕士.
[10]周朝阳.DSP控制三相逆变器并联冗余技术[D].浙江大学,2006.
[11]李佃辉.高管激励与公司绩效的实证研究[D].天津财经大学,会计学,2012,硕士.
[12]黄德才.层次分析方法中层次单排序的新方法[J].控制与决策,1998,06:90-93.
[13]罗宾.有限域气泡振动对精密结构的微扰动分析及结构设计[D].华中科技大学,固体力学,2013,硕士.
[14]刘源源.基于功能对等看英语概念隐喻的汉译策略[D].湖南师范大学,翻译（专业学位）,2013,硕士.
[15]宋义祥.活化部分凝血活酶时间、纤维蛋白原、载脂蛋白A1/B比值与冠心病及冠脉病变程度的相关性研究[D].吉林大学,临床医学,2013,硕士.
[16]肖玉兰.“陪伴式”青少年家庭社会工作模式初探[D].华中师范大学,社会工作,2012,硕士.
[17]陈双全,李向阳.应用局部频率属性检测天然气藏[J].石油地球物理勘探,2012,05:754-757+844+678-679.
[18]钟鸣.人民银行信息安全风险管理研究[D].湖南大学,MBA,2010,硕士.
[19]沈奇真.PVA/钢混杂纤维增强水泥混凝土力学性能研究[D].长安大学,材料学,2013,硕士.
[20]段良杰.国内股份制商业银行综合柜员胜任力特征模型研究[D].南京师范大学,应用心理学,2012,硕士.
[21]谭丽超.水环境中类固醇激素的污染特征及健康风险评价研究[D].南京农业大学,环境工程,2011,硕士.
[22]谭三.分布式教务管理系统[D].西南石油学院,2003.
[23]丁明,韩平平.加权拓扑模型下的小世界电网脆弱性评估[J].中国电机工程学报,2008,10:20-25.
[24]张继义,赵哈林,张铜会,赵学勇.科尔沁沙地植被恢复系列上群落演替与物种多样性的恢复动态[J].植物生态学报,2004,01:86-92.
[25]庞茂.汽车主减速器振动信号非线性特征研究[D].浙江大学,2006.
[26]周银.氧化还原法制备石墨烯及性能研究[D].沈阳大学,2013.
[27]徐怡,杨宏健,纪霞.基于双重粒化准则的邻域多粒度粗糙集模型[J].控制与决策.
[28]张萍.明清时期岷江流域水旱灾害初步研究[D].西南大学,历史地理学,2014,硕士.
[29]张天伦,张伯林,聂荔.用地一井工作方式的三极梯度法寻找小块油气藏[J].石油地球物理勘探,1997,04:520-531+574-604.
[30]于英硕.基于SnO_2的高性能CH_4传感器的研究[D].吉林大学,物理电子学,2013,硕士.
[31]李郑波.甘肃省建设工程混凝土消耗量定额编制与研究[D].兰州理工大学,结构工程,2013,硕士.
[32]靳钰峰.X绿色食品有限责任公司市场营销策略研究[D].中国地质大学（北京）,工商管理,2013,硕士.
[33]程海峰.泥水盾构施工对管线影响研究[D].北方工业大学,岩土工程,2014,硕士.
[34]李宝毓.中小学语文朱自清散文文本的多元解读及其实践策略[D].赣南师范学院,学科教学,2014,硕士.
[35]余本善,李薇薇,王兴宇,杨仓.海拉尔盆地构造演化及对沉积的控制作用[J].石油地球物理勘探,2013,02:289-296+332+161.
[36]刘伟.纳米粒子/碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制备及性能研究[D].哈尔滨工业大学,2013.
[37]王婷婷.各向异性SiO_2基电流变液材料的制备及性能研究[D].宁波大学,物理化学,2013,硕士.
[38]黄劲伟.甲骨刻辞数量表达式分类、断代整理与研究[D].西南大学,汉语言文字学,2013,硕士.
[39]郑迪.海上行政执法合作的法律问题研究[D].大连海事大学,法律,2014,硕士.
[40]李昭成.粒细胞集落刺激因子对大鼠脊髓损伤后运动功能的影响[D].兰州大学,外科学,2013,硕士.
[41]陈大钢,严树平,王叙.鞍钢平炉改转炉自动化系统[J].冶金自动化,2001,05:24-28.
[42]方原柏.AMDEL同位素载流分析系统[J].冶金自动化,1986,04:40-44+63.
[43]胡健.毛竹种子繁殖与丰产技术研究[D].中南林业科技大学,植物学,2013,硕士.
[44]祝婷婷.乌鲁木齐地区中学校本课程中民族文化资源开发现状研究[D].新疆师范大学,课程与教学论,2013,硕士.
[45]毕帅.机械性能增强的层层组装聚合物膜[D].吉林大学,分析化学,2013,硕士.
[46]孙静.毕赤酵母异源表达灵芝漆酶及酶学特性与功能的研究[D].扬州大学,细胞生物学,2011,硕士.
[47]谢佐君.Nrf2、HO-1在喉癌组织中的表达及其临床意义[D].广州医科大学,耳鼻咽喉头颈外科学,2013,硕士.
[48].2014中国隧道与地下工程大会(CTUC)在浙江大学城市学院召开[J].现代城市,2014,04:62.
[49]李栋.CaZrO_3,ZnAl_2O_4和Zn_2SiO_4微波介质陶瓷的低温烧结[D].河南科技大学,材料学,2014,硕士.
[50]李文刚.GL人力资源管理信息系统的建设[D].华中师范大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.