新型C/C复合材料的制备及其对室内有机污染气体的处理性能研究

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室内环境质量的好坏直接影响到人体健康。随着生活水平的提高和生活方式的改变,室内装饰着大量建筑装饰装修材料,而这些材料常常带有挥发性有机物(VolaitleOrganicCompounds,简称VOCs),此类有机物的不断释放使得室内污染源不断增加,严重威胁人们的身体健康。研究有效的室内有害气体去除方法已是迫切需要。   本文以室内典型VOCs污染物甲醛为目标污染物,以膨胀石墨为基体,蔗糖为炭源,磷酸为活化剂,采用真空浸渍法经炭化、活化制得膨胀石墨基C/C复合材料。采用扫描电镜(SEM)、氮气吸脱附法、热重分析TG和透射电镜(TEM)等测试手段,研究了磷酸/蔗糖质量比(Xp)、蔗糖溶液浓度等对复合材料孔结构和比表面积的影响规律,利用FTIR和Boehm滴定法对复合材料表面的化学官能团进行表征,考察了表面官能团变化对甲醛吸附能力的影响趋势。结果表明:膨胀石墨基C/C复合材料含有大量的微孔、一定量的介孔和大孔,表面含有丰富的含氧官能团,该复合型的孔结构及适宜的表面性能有利于提升材料对甲醛极性分子的吸附效果。在Xp=1.0、蔗糖溶液浓度为30%时所制得膨胀石墨基C/C复合材料的比表面积和孔容最高,分别达到2112m2/g和1.08mL/g,其对甲醛的静态饱和吸附量为854mg/g,较同工艺制备的活性炭提高了26.9%。该复合材料保留了膨胀石墨基体发达的网络孔隙结构和空间形貌,真空浸渍缩短了炭源浸渍时间并实现了炭源充分、均匀引入。膨胀石墨基C/C复合材料由基体的石墨晶体结构和由蔗糖活化后形成的无定形活性炭组成,活性炭以纳米薄膜的形式均匀涂覆在膨胀石墨基体表面及内部孔结构的孔壁上。膨胀石墨基C/C复合材料丰富的纳米级微孔及介孔结构主要存在于活性炭组分中且孔径分布较为集中,基体中则主要为通透的微米级大孔结构,实现了微米级大孔、纳米级微孔及少量介孔的多孔复合,这样的孔结构特征决定了材料作为吸附剂使用时,既有良好的吸附能力,又有优异的通透性,非常适于处理像甲醛之类的小分子有机污染物。   为进一步提高C/C复合材料的吸附效果,根据甲醛的性质,以双氧水、硝酸、氨基酸、氯化铵、尿素、CTAB(cetyltrimethylammoniumbromide,十六烷基三甲基溴化铵)等溶液对复合材料进行表面改性。结果表明:除CTAB以外,经其他改性剂改性以后,材料对甲醛气体的吸附能力都出现不同程度的下降。经工艺优化,当CTAB的浓度为0.01mol/L,改性温度和改性时间分别为70℃和60min时,在室温(25℃)下,改性C/C复合材料对甲醛气体的静态饱和吸附量达到最高的1042mg/g。   为了实现C/C复合材料的原位光催化再生,本文将TiO2以炭膜包裹的形式负载在材料的表面。当热处理温度为450℃,蔗糖溶液浓度为0.5%,浸渍两次和TiO2负载量为11.57%时,负载TiO2的C/C复合材料具有最高的甲醛处理能力。吸附催化动力学研究结果表明其甲醛处理过程遵循一级反应动力学模型。   设计制作了空气净化器样机,建立了一套试验平台,研究了不同实验条件甲醛气体降解效率的影响规律。结果表明:当甲醛浓度较高时,高风速有利于甲醛降解;而浓度的较低时,低风速有利于甲醛降解。相对湿度在60%时,甲醛处理效果最好;温度越高越不利于甲醛处理。
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