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研究生： 郭偉僑
Kao, Wei-Chiao
論文名稱： 以禾本科植物為氧化矽原料合成金屬矽酸鹽孔洞材料並做為水中有機物之吸附劑
Synthesis of Mesoporous Metal-silicate by Using Gramineae Plants as Silica Source for the Removal of Organics in Water
指導教授： 林弘萍
Lin, Hong-Ping
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 化學系
Department of Chemistry
論文出版年： 2011
畢業學年度： 99
語文別： 中文
論文頁數： 130
中文關鍵詞： 表面活化劑 、金屬矽酸鹽 、氧化矽 、禾本科植物
外文關鍵詞： Gelatin, Activated carbon, silica, COD
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    • 在現今環保意識崛起的時代，無論是綠色能源的發展或是綠色化學材料的研究都逐漸受到重視，因此，本研究在材料合成的設計上，無論是原料來源的取得、實驗的處理程序以及材料的應用層面，都盡可能朝向綠色化學的範疇。
    尋找到一種天然、無毒、便宜且生物相容性高的明膠高分子-Gelatin，Gelatin是一種生物胺基酸，其分子結構含有多處的胺基(NH)官能基可產生氫鍵(Hydrogen Bonding)結合，Gelatin可做為各種固態材料表面的活化劑，而用來製作中空型中孔洞二氧化矽材料與中孔洞碳複合材，本篇文章即有探討到利用Gelatin來合成各種中空結構的二氧化矽材料，對於模板與矽酸鹽之間的結合，Gelatin扮演一個強力黏著劑的角色，利用Gelatin的活化特性，將可使孔洞氧化矽材料之型態具有更多的變化，是一項相當值得研究的實驗。
    在台灣地區生長著許多的禾本科植物，包含了田埂間常見的雜草-木賊草與農業生產裡的稻作植物，在稻作收成取出稻米後，常常用掩埋或是就地燃燒的方法來處理這些農業廢棄物。事實上，禾本科植物含有高量的二氧化矽與鉀離子等無機物，可以成為優良的天然資材。 本實驗將利用木賊草與生質能所遺留之稻稈殘渣此兩種農業廢棄物，使之成為可再利用的資源，藉以提高這些植物的附加價值。其所含的二氧化矽經過適當的水熱酸處理和高溫鍛燒除所含的有機物，便可以得到有高表面積(200~300 m2/g)的中孔洞氧化矽材，由於禾本科植物來源取得容易，如此一來便可以省下合成孔洞氧化矽所需的成本，且處理過程所需時間短(約數小時)又方便，有利於製備大量孔洞氧化矽材料。
    對於禾本科植物所合成的高表面積的中孔洞二氧化矽材之進一步應用，可以作為擔載各種金屬氧化物之擔體，合成出氧化矽與金屬氧化物的複合材料。本實驗室已成功將各種金屬氧化物擔載於氧化矽上，值得一提的是在CuO/氧化矽之複合材料合成上，其銅離子來源是取自於半導體廠之金屬廢液，我們回收再利用此廢液不但節省成本且有利於環境維護，而在NiO/氧化矽之複合材料之應用上，其對於吸附工業放流水之中的有機物具有很好的成效，可大幅降低廢水中的COD值，使其達排放標準。此實驗不僅是材料的合成，更是一個資源回收再利用的理念，非常值得開發研究。
    本實驗室對於中孔洞碳材的研究已掌握相當成熟的技術，對於中孔洞碳材的研究上，如何使其具有高表面積是一大重點，然而，在反應試劑比例的調整以及實驗技巧上的改變都有其極限存在，為了突破此現象，將已合成好的中孔洞碳材做後處理，引入化學活化法與物理活化法，對於碳材的活化已有許多文獻有相關的報導，然而中孔洞碳材的碳結構不同於一般高結晶度碳材，因此在活化的選擇上更具難度，在本篇文章的實驗結果中顯示物理活化法較適合活化中孔洞碳材，此方法可大幅度地提高孔洞碳材的表面積，並且保持孔洞結構的完整性，是為碳材研究上的一大突破。

    Abstract
    With the environmental consciousness-raising, both of green energy and green chemistry are more and more important. As a result, when designing an experiment, we always hope that how to recycle a waste as a source, reduce the pollution producing from the experiment, and make the product useful for solving the pollution of the environment.
    Now, we found a natural polymer, Gelatin, which is non-toxic, low-cast and bio- friendly. Gelatin is an amino acid, and can provide many NH groups, a hydrogen-bonding donor and accepter. By using gelatin as a glue, we can combine sodium silica and plate to synthetize hollow mesoporous silica.
    There are many Gramineae plants in Taiwan, including of Equisetum grass near the brook and rice straw in agriculture. In fact, there is abundant of silicon oxide and inorganic metal as K and Ca in these plants. Now we recycle them to take as raw materials in our experiment. By using an acid-leached and hydrothermal treatment, we can get mesoporous silica with high surface area after combusting it. Because easy to get these Gramineae plants and the convenient experiment procedure, it can be in mass production with low cost.
    Because of the high surface area, mesoporous silica can be used as a carrier of metal oxide. We can successfully insert metal oxide into mesoporous silica called metal oxide /SiO2 complex material, like CuO/SiO2 and NiO/ SiO2. What deserves to be mentioned is that the metal precursor of the CuO/SiO2 complex material is from wasted water in semiconductor factory. It is good for environment and low cost. For the NiO/SiO2 complex material, it can be applied to solve the problem of environment pollution like removal of organics in water.
    For the synthesis of mesoporous carbon, we concentrate on synthetizing mesoporous carbon with high surface area. To increase the surface area of mesoporous carbon, we try to use chemical activation with potassium hydroxide and steam activation and the surface area of activated carbon obtained with steam activation is higher than those obtained with chemical activation.

    目錄 第一章 序論 1 1.1中孔洞材料介紹 1 1.1.1中孔洞材料的主要研究範疇 2 1.1.2中孔洞碳材 (mesoporous carbon) 簡介 3 1.1.2.1高分子混摻方式合成中孔洞碳材 3 1.1.2.2 高分子混掺法(polymer blends) 4 1.2界面活性劑簡介 6 1.2.1界面活性劑分類 6 1.2.2微胞的形成 7 1.2.3界面活性劑聚集體的結構 8 1.2.4 陽性-陰性離子型界面活性劑所組成的系統 9 1.2.5 生物明膠-Gelatin 10 1.3 矽酸鹽之化學概念 11 1.4奈米級空心狀材料簡介 12 1.4.1 奈米級空心狀材料的合成 13 1.5 禾本科植物簡介 15 1.6 異相成核法 16 1.7 化學活化法與物理活化法 17 1.8 化學需氧量(Chemical Oxygen Demand ) 19 第二章 實驗部分 20 2.1 實驗用藥品 20 2.1.1 以天然無毒之Gelatin為表面活化劑，合成不同形狀之中空二氧化矽材料 20 2.1.2天然廢棄物 21 2.1.3 Metal Oxide/SiO2之複合材料 21 2.1.4物理活化法及化學活化法 21 2.1.5化學需氧量(COD) 21 2.2 分析與鑑定 22 2.2.1 穿透式電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscopy；TEM 22 2.2.2 掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscopy；SEM) 22 2.2.3 X-射線粉末繞射光譜 22 2.2.4 熱重分析儀 23 2.2.5 X光能量散佈光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer ;EDS 23 2.2.6氮氣等溫吸附/脫附測量72 24 第三章 以Gelatin為活化劑合成中空氧化矽材料 28 3.1研究動機與目的 28 3.2 以CNF(Carbon Nano Fiber)為模板合成中空狀二氧化矽材料 30 3.2.1 實驗合成步驟 30 3.2.2結果與討論 32 3.2.2.1 pH值/熟化時間對中空管狀二氧化矽結構的影響 34 3.2.2.2 水熱處理對氧化矽材料結構的影響 37 3.2.2.3 中空管狀二氧化矽材料之管壁增厚 39 3.2.2.4 合成中空管狀二氧化矽/奈米金之複合材料 42 3.2.2.5 以F127為表面活化劑，合成中空管狀二氧化矽 43 3.2.2.6 CNF表面鑲入中孔洞碳材，增加其表面積 44 3.3 以PS(polystyrene)為模板，合成中空球狀二氧化矽 48 3.3.1 合成實驗步驟 48 3.3.2 結果與討論 50 3.3.2.1 pH值/熟化時間對中空球狀結構之影響 51 3.3.2.2 調整gelatin和PS的比例，合成出結構更完整的中空球型二氧化矽 52 3.4結論 57 第四章 由天然植物中取得中孔洞二氧化矽材料 58 4.1研究動機與目的 58 4.2實驗合成步驟 59 4.3 以木賊草為原料，合成二氧化矽材料 60 4.3.1木賊草的簡介 60 4.3.2 結果與討論 63 4.3.2.1 木賊草在不同的pH值下進行水熱 63 4.3.2.2 反應系統總水量的改變 67 4.3.2.3 水熱時間的改變 67 4.3.2.4 利用不同的酸處理木賊草 69 4.3.2.5 酸水與水熱處理方式之比較 71 4.4以生質能源廢棄物-稻稈殘渣為原料，合成二氧化矽材料 72 4.4.1 生質能源及其廢棄物的簡介 72 4.4.2 結果與討論 74 4.4.2.1 在不同的pH值下進行水熱 74 4.4.2.2 反應系統總水量的改變 75 4.4.2.3 水熱時間的改變 75 4.4.2.4 二氧化矽的熱穩定度測試 76 4.3 結論 78 第五章 以天然二氧化矽合成出Metal Oxide/SiO2之複合材料 79 5.1 研究動機與目的 79 5.2 實驗合成步驟 80 5.3 結果與討論 81 5.3.1 氧化銅與二氧化矽比例的改變 81 5.3.2 銅矽酸鹽複合材料之水熱時間長短對結構的影響 84 5.3.3 銅矽酸鹽複合材料之水熱pH值的改變 87 5.3.4 銅矽酸鹽複合材料之母液水熱造成的影響 89 5.3.5 銅矽酸鹽複合材料之母液水熱時pH值的改變 91 5.3.6 銅矽酸鹽複合材料之以不同的二氧化矽當無機載體 92 5.3.7 氧化鎳與二氧化矽比例之改變 97 5.3.8 鎳矽酸鹽複合材料之母液水熱時間改變對結構之影響 99 5.3.9 鎳矽酸鹽複合材料之母液水熱pH值改變 101 5.3.10 結論 102 第六章 中孔洞碳材之活化 103 6.1 研究動機與目的 103 6.2 化學活化法與物理活化法之原理簡介 104 6.3 實驗合成步驟 105 6.4 化學活化法之結果與討論 106 6.4.1 改變碳與強鹼之間的比例 106 6.4.2 活化時間的改變 109 6.5 水蒸氣活化法之結果與討論 111 6.6 結論 116 第七章 以Metal Oxide/SiO2 為吸附水中的有機物 117 7.1研究動機與目的 117 7.2 實驗步驟 118 7.3 以KHP為標準品做校正曲線 119 7.4 以不同表面積之二氧化矽當吸附材之結果 120 7.5以不同的Metal Oxide@SiO2當吸附材之結果 121 7.6 以不同NiO : SiO2之複合材料當吸附材之結果 122 7.7 吸附材的回收與重複使用 123 7.8 結論 123 第八章 總結論 124 參考文獻 126

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    下載圖示 校內：2014-07-11公開
    校外：2014-07-11公開
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