本文是一篇工程硕士论文，本课题通过对 FeOx-MNAC 和 Fe/C-800 两种材料对染料的实验数据分析拟合后，发现 FeOx-MNAC 和 Fe/C-800 对染料去除的动力学过程比较符合准二级动力学模型，这表明染料吸附的速率机制可能是由化学吸附所决定的。同时对去除过程进行等温模型探究，发现该去除过程比较符合 Langmuir 等温模型，这表明 FeO x-MNAC 和 Fe/C-800对染料的吸附，较为符合单分子层吸附。
第一章 绪论
1.1 引言
水体污染已经成为一个全球性问题，严重破坏了生态平衡，并影响到全球 40 % 以上的人口，对人体健康造成了巨大威胁。而其中大约 80 % 是由于人类活动和着色行业造成的。目前，市场上有一万多种染料，被广泛应用于纺织、造纸、塑料、橡胶、汽车、食品、油漆等行业[1]。为此，世界各国都在研究可持续的高效处理技术来降低或消除染料分子造成的有害影响。
为了处理染料废水，在过去几年中，研究者采用了广泛的物理、化学和生物技术来去除染料废水。在实际操作中，活性炭由于其出色的吸附性能，是应用最为广泛的常规吸附剂之一[2]。然而，活性炭的应用受到成本较高和再生过程复杂等因素的限制[3]。此外，传统的活性炭对分散的还原性染料的选择性低[4]。为了降低成本和提高去除效率，必须开发新的高效的替代物来代替传统的活性炭。
近年来，许多研究者已经制备和改性了许多新型吸附剂用于去除废水中的染料，例如粘土/沸石及其复合物、生物吸附剂、农业固体废物、工业副产物等[5]。金属及其氧化物改性碳材料是常用的表面改性技术之一，可导致结构、颗粒尺寸和晶格应变的改变，使表面积、孔体积、孔径、活性位点以及磁性、电学和吸附性能等属性得到增强[6]。目前，经功能化改性的磁性碳复合材料，在去除染料废水方面表现出良好的性能，因为它们具有易分离、高比表面积和纳米级尺寸等优良的物理性质[7]，在染料废水处理中具有光明的应用前景。
1.2 染料的概述
染料是水溶性或油溶性的有机化合物，根据应用性能可以分为直接染料、活性染料、酸性染料和碱性染料等[8]。染料的结构由发色基团、助色基团和基体组成。其中发色基团为活性部位，常见的发色基团有硝基 (─NO2)、偶氮键 (─N═N─)、羰基 (─C═O) 以及烯烃 (─C═C─)等[9]。染料分子吸收一定波长的光量子的能量后，发生极化并产生偶极矩，使发色基团价电子在不同能级间跃迁而形成不同的颜色。显色分子只有通过添加称为“助色体”的其他原子基团才有染色的可能性，这些助色基团可以固定染料，并可以改变染料的颜色。常见的助色基团包括酸性助色基团羧基 (─COOH) 和磺 酸基团 (─SO3H) 等，碱性助色基团氨基 (─NH2) 和仲胺基 (─NHR)等。染料分子的其余原子组成为基体部分[10]。
染料的广泛应用给我们的生活添加绚丽多彩，与此同时大量未经处理的染料随着工业废水直接排放到自然环境中，给生态平衡构成了巨大的威胁[11]。染料废水的危害如下：
染料的色度很高，在水中很容易被检测到，即使是极低浓度的染料也能产生很深的颜色，颜色的改变会阻止阳光扩散到水中，增加水体温度、浑浊度，降低溶解氧，对水生生物的光合作用和生物活动产生不利影响[12]。毒性染料进入生物体内，对生物细胞具有致癌和诱变作用，造成不可逆转的损害。Soriano, J.J.[13]等，研究了染料酸性红 97 (AR97) 和碱性棕 1 (BBY) 对水生生物的危害与影响。结果显示，一定量 AR97和 BBY 染料对热带鲇鱼胚胎均不致死；然而，BBY 明显诱发了热带鲇鱼胚胎畸形。此外，高浓度的 BBY 还会导致青蛙胚胎和早期幼虫发生发育缺陷的几率大大增加。染料废水造成的污染已经成为需要迫切解决的问题。因此，我们必须寻找一个更加有效、环境友好的方法去除染料。
第二章 实验部分
2.1 实验材料
本课题有关实验药品如下表 2.1。
2.3 实验制备过程
2.3.1 FeOx-MNAC 系列复合材料的制备
FeO x-MNAC 系列的制备流程如图 2.1 所示，将生物质油菜秸秆进行预处理，过程包括粉碎、筛选、最后洗涤至中性，干燥备用。将预处理后的生物质油菜秸秆与 FeC l3，PVP 和含氮前驱体，使用 60 mL 去离子水混合后，在水热釜中以 180 ℃，反应 12 h，得到铁-生物质炭前驱体。将铁-生物质炭前驱体与 KOH 按质量比 1:1 混合后，干燥。之后，将混合物在管式炉中焙烧，以 800 ℃ 保持一定时间。经去离子水洗涤后，将样品命名为 FeO x-NAC。在实验过程中不加 FeC l3 制备的材料记为 AC。FeO x-NAC 通过外部磁场分离后得到 FeO x-MNAC。将 FeOx-MNAC 用 1M HCl 去除表面及内部的铁物种后，得到 NAC。
铁/碳复合材料的制备如图 2.2 所示，将 Fe(NO3)3∙9H2O 与螯合剂通过溶胶凝胶法制备，形成棕黄色铁络合物干凝胶前驱体。随后，将前驱体在管式炉中焙烧，以加热速率 5℃/min 分别至 450 ℃，600 ℃，800 ℃ 保持 2 h，将得到的样品洗涤、干燥后分别命名为 Fe3C/C-450，Fe/Fe3C/C-600，Fe/C-800。将铁络合物干凝胶前驱体置于马弗炉中，煅烧后得到FeOx/C复合材料，随后FeOx/C通过在管式炉中以加热速率5℃/min 分别至 280 ℃，450 ℃，800 ℃ 还原 2 h，将得到的样品洗涤、干燥后分别命名为Fe3O4/C-280-R，Fe/C-450-R，Fe/C-800-R。
第三章 FeO x-MNAC 系列复合材料对 MG 的吸附性能研究 ................... 23
3.1 引言 ....................................... 23
3.2 结果与讨论 ........................................ 24
第四章 铁/碳复合材料对染料去除的研究............................... 33
4.1 引言 ........................................ 33
4.2 铁/碳复合材料对染料去除的研究...................... 34
第五章 结论与展望 .............................. 47
5.1 文章结论 ..................................... 47
5.2 论文展望 .......................................... 48
第四章 铁/碳复合材料对染料去除的研究
4.1 引言
铁基材料，包括零价铁、铁氧化物和铁硫化物等，由于其磁性、光学、电学、低毒性和催化性能等，在过去几十年中得到了广泛的研究[110]。由于其独特的性质，纳米铁基材料比宏观材料更有前途。水热法、溶剂热法、热注射法和多元醇介导法等方法已被用于合成铁基纳米材料[111]。纳米铁基材料具有高表面活性、比表面积大、易分离等优点，在染料去除领域获得了研究人员的广泛关注。同时也存在易于团聚的问题，会降低其反应活性、比表面积和分散性[112]。为了克服团聚的问题，使用载体材料是减少铁基纳米材料的团聚的一种有效方法。
Paz, C.B.[113]等，以硫酸铁和蔗糖为前驱体，采用水热法制备了多孔 FeC 和 Fe/FeC复合材料，作为吸附剂去除染料酸性红 66 (AR 66) 溶液。结果表明，在室温下，FeC 纳米复合材料对染料的最高吸附量为 15.6 mg g-1，染料吸附行为属于 Langmuir 模型，吸附过程遵循准二级动力学模型。Fe/FeC 复合材料表面可能存在 Fe2+/Fe3+的活性位点以及阴离子染料 AR 66 与被吸附剂之间的氢键作用，是 Fe/FeC 复合材料快速吸附的原因。
Yu, P.[114]等，以葡萄糖和氯化铁为原料，调节 pH，通过化学沉淀法合成了磁性碳微球复合材料，去除阳离子偶氮染料 MB。研究了不同投加量和初始酸碱度对碳微球复合材料去除 MB 的影响。结果表明，碳微球复合材料对 MB 具有较高的去除率。染料吸附行为属于 Langmuir 模型。磁性碳微球复合材料吸附 MB 的实验数据与准二级动力学模型拟合度较高。此外，还进行了重复循环试验，结果表明碳微球复合材料具有良好的循环稳定性。磁性碳微球复合材料通过静电吸附和 π-π 相互作用去除 MB。磁性碳微球复合材料具有去除效率高、易分离、可循环使用等优点，可用于去除 MB 染料废水。
第五章 结论与展望
5.1 文章结论
本课题以制备具有新结构和表面性质的功能化铁-碳复合材料，结合了有机和无机元素的优异特性，克服了磁性纳米粒子易于团聚、稳定性差等不足，提供了更多的活性位点，提高在复杂溶液中的稳定性。研究了铁-碳复合材料对染料的去除能力及影响因素进行了研究，对去除机理进行了初步探索。
（1）磁性铁/生物质炭复合材料 (FeOx-MNAC) 的 XRD 表征显示包含的铁物种有 Fe3O4，Fe2O3 和 Fe。FeOx-MNAC 显示出高度丰富的多孔结构，主要由微孔和介孔构成，具有较高的比表面积为 523.61 m2 g-1。FeO x-MNAC 对 MG 最大吸附量为 2685.0 mg g-1，高于 NAC 的最大吸附量约 68 %。表明了铁物种在染料去除中的重要作用。并且对 FeO x-MNAC 去除 MG 的机理进行了初步探索，FeO x-MNAC 的高去除量可归因于包括氢键、孔隙填充、静电相互作用等多重机制所导致。
（2）通过溶胶凝胶法制备铁络合物干凝胶前驱体，通过控制不同温度、不同气氛等条件，得到包括 Fe，Fe3C，Fe/Fe3C，Fe3O4 等多种铁/碳复合材料。采用 SEM，XRD表征对材料进行分析，对染料的去除能力及影响因素进行了研究，并对机理进行了初步探索，结果表明：温度是影响材料形貌的重要因素，当煅烧温度由 450 ℃ 升高到800 ℃ 时，材料表面的聚集球状颗粒向纳米片形状转化。当温度升高到 600 ℃ 时，Fe/Fe3C/C-600 的表面出现一些大小不一的孔道。这可能源于前驱体在较高的热解温度下，生成 H2，CO 等气体造成的孔隙结构的变化。当温度在 800 ℃ 时，Fe/C-800 的表面发生明显变化，表面被薄的纳米片所覆盖。此外，煅烧温度和气氛是影响铁物种相的关键因素。铁物种的相转化可能归因于在高温热解过程，碳的还原将 Fe3+转化为Fe3C 或 Fe。在 H2 气氛下，随着温度的升高，倾向于转化为 Fe。铁物种的相转化可能归因于在高温条件下，氢气的还原性将 Fe3+和 Fe2+还原为 Fe。再经过 5 次循环后，Fe/C-800 对 MB 溶液的去除率仍保持在初始容量的 80.3 %。表明 Fe/C-800 具有良好的可再生性和稳定性，可以有效去除染料 MB。
参考文献（略）