螺旋状碳纤维材料是一种极具吸引力的新型碳材料,其独特的三维螺旋使其具有独特的电、磁和机械性能,包括高比表面积、超弹性、优异的稳定性、导电性和电磁波吸收性能等,因此螺旋状碳纤维的制备与性能探究吸引了研究者们的广泛关注。另一方面,当社会迅速发展的同时,使得能源需求和环境污染等问题日益严重。特别是对生物废弃物如落叶、秸秆等的不当处理(垃圾填埋和焚烧等),既破坏了城市的生态环境,又造成资源浪费和公共安全危害,因此生物废弃物的高效处理和与资源化利用受到广泛关注,生物质碳为生物废弃物的可持续资源化利用提供了技术途径。本论文以废弃生物质为原料,提出通过物理化学法从生物质中提取高纯度螺旋状螺纹导管的新思路;基于生物模板法,通过研究碳化与活化过程,提出多孔螺旋碳纤维的微观孔隙结构优化调控与性能增强的思路;研究了生物质基多孔螺旋碳纤维的制备与性能,探讨了利用生物质基多孔螺旋碳纤维应用在吸附领域的潜质,为生物质废弃物的高值转化利用做出有益的探索。本论文主要在如下的几个方面推进了一些创新性的研究:1.利用生物质内部固有的复杂而精细的结构,通过碱性试剂化学腐蚀分散和物理超声聚集的方法,提取出具有高纯度的螺旋状螺纹导管,探讨了不同提取工艺对螺纹导管形貌和纯度的影响,构建了一种低成本制备螺旋碳纤维的新思路;再以螺旋状的高纯度螺纹导管为模板,通过碳化获得螺旋碳纤维。2.以KOH为活化剂,通过简单混合研磨后活化制备了多级孔结构的螺纹导管基多孔螺旋碳纤维(SVACFs)。探究了 KOH活化剂的比例对其多孔结构和性能的影响。由于螺纹导管先经过了碳化处理,并采用了温和的碳纤维活化处理条件,螺纹导管自身的三维结构得以充分保留。碳纤维的三维螺旋状结构有利于KOH活化剂与碳纤维表面的充分均匀接触且易于活化剂的传输,从而获得了具有超高比表面积的多孔SV ACFs。SV ACFs的BET数据结果显示:随着活化剂比例的增加,SVACFs的比表面积和总孔体积进一步增加,这是由于活化剂比例的提高增加了刻蚀力度,所制备的SV ACFs 比表面积大于3000m2 g-1。3.根据四种活化比例(1:1、1:3、1:5、1:7分别标记为SVACFs 1-1、SVACFs 1-3、SVACFs 1-5、SVACFs 1-7)的多孔 SVACFs 对磺胺甲恶唑(SMX)的吸附容量结果显示:SV ACFs 1-5和SV ACFs 1-7的吸附容量相近且远超于SV ACFs 1-1和SV ACFs 1-3,这是由于SV ACFs 1-5和SV ACFs 1-7具有超高的比表面积和高含量的纳米孔(1nm-3nm)。1nm-3nm的纳米孔不仅可以保证SMX在SV ACFs表面的存储,而且可以提供易于SMX传输的通道,证明孔填充作用是多孔SVACFs吸附磺胺甲恶唑的主要控制因素。根据溶液pH值、离子强度和腐殖酸的影响结果显示:随溶液pH值增加,SVACFs对SMX的吸附容量呈现先增大后减小的趋势,在pH值为4时达到最大值(318mg/g);随着腐殖酸浓度的提高,SVACFs对SMX的吸附容量呈现先增大后减小的趋势;Na+促进了 SVACFs对SMX的吸附,Ca2+抑制了 SVACFs对SMX的吸附。4.拟二级动力学模型所计算的理论吸附容量更契合于实验吸附容量值,并且对应的相关系数更接近于1,故此模型更符合SVACFs 1-7对SMX的吸附动力学行为。所有温度下所对应的Langmuir模型相关系数都大于0.99且远超于所对应的Freundlich模型相关系数,故结果表明SVACFs 1-7对SMX的吸附等温线数据更契合Langmuir模型,为单层吸附。SV ACFs 1-7吸附SMX的过程是放热过程,较低的温度有益于对SMX的吸附。5.通过对表征及吸附数据的分析,推断静电作用、孔填充、疏水作用、π-πEDA作用以及氢键作用为SV ACFs 1-7对SMX的吸附机制;吸附SMX后SVACFs 1-7中C=O键的消失证明SVACFs 1-7与SMX之间发生了反应,可能是SV ACFs 1-7表面羰基和羧基的C=O键与SMX分子中苯胺基团上的氨基发生了反应。