CN104098086A - 一种高吸附性能碳气凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高吸附性能碳气凝胶的制备方法,其技术特点是制备有机气凝胶:将间苯二酚和甲醛混合,加入催化剂碳酸钠以及去离子水,搅拌0.5h-1.0h,密封后放入恒温烘箱中进行老化、凝固,得到有机湿凝胶;将有机湿凝胶放入无水酒精中进行溶液替换,然后进行常压干燥,得到有机气凝胶;制备碳气凝胶:将有机气凝胶放入管式炉中,在氮气氛围下进行碳化,得到碳气凝胶;制备二氧化碳活化的碳气凝胶:将碳化好的碳气凝胶放入管式炉中,通入二氧化碳进行活化,然后得到活化的碳气凝胶。本发明制备得到的碳气凝胶比表面积可以达到3000m2/g,远大于活性炭的比表面积,极大程度地提高了碳气凝胶的吸附效率;同时,适用于多种吸附过滤对象,应用范围更广。

Description

一种高吸附性能碳气凝胶的制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于吸附过滤材料技术领域,尤其是一种高吸附性能碳气凝胶的制备方 法。
背景技术
[0002] 随着世界人口的迅速增长,城市化步伐逐渐加快,人们对淡水的需求日益增加。由 于水资源严重不足,水的供需矛盾将变得更为突出,因此,除了节约用水外,最有效地解决 水资源短缺的途径是废水深度处理再利用。对有色废水的处理一般采用吸附、过滤和光催 化并重的手段,目前,对有色废水进行过滤、吸附的材料中又以碳材料居多,最常见的吸附 类碳材料是活性炭,是基于它比表面积大(500_1700m 2/g),价格低廉等优点。碳气凝胶作为 一种新型的吸附材料正在得到广泛的应用,碳气凝胶是一种三维纳米网络结构的多孔非晶 碳素材料,具有比表面积高,孔隙率大,孔径分布宽以及导电性能好等优点,使他在力学、电 学、热学、光学、医学等方面具有非常广泛而有效地应用。但是,现有的炭气凝胶产品制备工 艺复杂,不能实现有针对性的定制,难以提高其吸附效率。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种设计合理、制备工艺简单且吸 附效率高的高吸附性能碳气凝胶的制备方法。
[0004] 本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的:
[0005] -种高吸附性能碳气凝胶的制备方法,包括以下步骤:
[0006] 步骤1、制备有机气凝胶:将间苯二酚和甲醛混合,加入催化剂碳酸钠以及去离子 水,搅拌〇. 5h_l. 0h,密封后放入恒温烘箱中进行老化、凝固,得到有机湿凝胶;将有机湿凝 胶放入无水酒精中进行溶液替换,然后进行常压干燥,得到有机气凝胶;
[0007] 步骤2、制备碳气凝胶:将有机气凝胶放入管式炉中,在氮气氛围下进行碳化,得 到碳气凝胶;
[0008] 步骤3、制备二氧化碳活化的碳气凝胶:将碳化好的碳气凝胶放入管式炉中,通入 二氧化碳进行活化,然后得到活化的碳气凝胶。
[0009] 而且,所述步骤1中间苯二酚和甲醛以1:2的摩尔比混合,所述催化剂碳酸钠的浓 度为0. 05mol/L ;所述间苯二酚与催化剂碳酸钠的摩尔比为1500,间苯二酚和甲醛占总溶 液的质量分数为30。
[0010] 而且,所述步骤1老化、凝固的时间为5天;所述进行溶液替换为5天,每天更换一 次。
[0011] 而且,所述步骤2进行碳化时的温度范围为0-1050°C ;所述步骤2进行碳化的时 间为2小时。
[0012] 而且,所述步骤3进行二氧化碳活化时的温度为0-1000°C,并在上述温度范围内 逐渐增温进行活化。
[0013] 而且,所述步骤3通入二氧化碳的通气速率为60ml/min。
[0014] 本发明的优点和积极效果是:
[0015] 1、本发明以溶胶-凝胶法为基础、以间苯二酚和甲醛为前驱体、以碳酸钠为催化 剂制备得到的碳气凝胶比表面积可以达到3000m 2/g,远大于活性炭的比表面积,同时孔洞 率大于90%,孔径体积约为2. 066cm3/g,由于碳气凝胶材料内部含有大量的极性基团,易于 极性吸附质发生分子间作用,极大程度地提高了碳气凝胶的吸附效率。
[0016] 2、本发明能够根据吸附质颗粒的大小,对不同尺寸的小分子、大分子染料进行有 针对性的定制,同时,根据废水中主要有色染料的分子大小,通过改变材料配比、活化温度 对不同颗粒大小的有色染料进行有针对性的调节,适用于多种吸附过滤对象,应用范围更 广。
[0017] 3、本发明采用无水酒精代替丙酮进行溶液替换,降低成本并且减少化学药品对人 体的危害。
附图说明
[0018] 图1为实施例1的时间-温度曲线示意图;
[0019] 图2为实验样品1的紫外可见光吸收光谱示意图;
[0020] 图3为实验样品2的紫外可见光吸收光谱示意图;
[0021] 图4为实验样品3的紫外可见光吸收光谱示意图。
具体实施方式
[0022] 以下对结合实施例对本发明做进一步详述。
[0023] -种高吸附性能碳气凝胶的制备方法是以溶胶-凝胶法为基础,以间苯二酚和甲 醛为前驱体,碳酸钠为催化剂制备得到,具体步骤如下:
[0024] 步骤1、制备有机气凝胶。
[0025] 将间苯二酚和甲醛混合,加入催化剂碳酸钠以及适量的去离子水,搅拌 0. 5h_l. 0h,密封后放入恒温烘箱中,老化、凝固5天,得到有机湿凝胶;将有机湿凝胶放入 无水酒精中进行溶液替换,替换5天,然后进行常压干燥,得到有机气凝胶。
[0026] 步骤2、制备碳气凝胶。
[0027] 将有机气凝胶放入管式炉中,在氮气氛围下进行高温碳化,温度范围为0-1050°C, 得到碳气凝胶CRF。
[0028] 步骤3、制备二氧化碳活化的碳气凝胶。
[0029] 将碳化好的碳气凝胶放入管式炉中,通入二氧化碳进行活化,活化温度为 0-1000°C,然后得到活化的碳气凝胶CRF-x,X为最高温度。
[0030] 以下二个具体实例来说明制备过程,以下所用的药品均由国药集团有限公司提 供,如无特别说明,纯度均为分析纯。
[0031] 实施例1 :
[0032] 步骤1、制备有机气凝胶:将间苯二酚(R)和甲醛(F)以1:2的摩尔比混合,以 0. 05mol/L的碳酸钠溶液为催化剂,加入适量的去离子水,搅拌均匀,将溶胶密封后放入恒 温箱中,在30°C,50°C,90°C分别放置一天,一天,三天,得到有机湿凝胶;将有机湿凝胶浸 入无水乙醇中进行溶液替换,共替换5天,每天更换一次替换溶液,然后进行常压干燥,得 到有机气凝胶。
[0033] 步骤2、制备碳气凝胶:将步骤1制备的有机气凝胶放入管式炉中,在氮气氛围中 进行高温炭化(1050°C,保持2h)。定义间苯二酚与催化剂的摩尔比简称R/C比,以间苯二 酚和甲醛占总溶液的质量分数简称Μ值,本发明所用的材料是1530,1530代表的是R/C比 为1500、质量分数为30的碳气凝胶。
[0034] 步骤3、制备二氧化碳活化的碳气凝胶:将步骤2得到的碳气凝胶放入管式炉中, 通入二氧化碳(通气速率为60ml/min)进行活化,如图1所示的时间-温度曲线,在200°C 保持2h,600°C保持2h,1000°C保持2h,在二氧化碳氛围中冷却到室温,得到活化的碳气凝 胶,我们定义为CRF-1000-2 (碳气凝胶活化温度最高1000°C,保持2h)。
[0035] 实施例2 :
[0036] 本实施例的制备有机气凝胶步骤和制备碳气凝胶步骤与实施例1完全相同,其不 同之处是:在步骤3中,将步骤2得到的碳气凝胶放入管式炉中,通入二氧化碳(通气速率 为60ml/min)进行活化,200°C保持2h,600°C保持2h,800°C保持2h,在二氧化碳氛围中冷 却到室温,得到活化的碳气凝胶,定义为CRF-800-2。
[0037] 为了验证本发明的效果,我们做如下紫外可见光吸收实验:
[0038] 1、称取实施例1制得活化的碳气凝胶(编号为CRF-1000-2)样品(实验样品 1) 0. 04g放入2ml的亚甲基蓝溶液中(100ml去离子水+2. 6mg亚甲基蓝),每隔半小时测试 紫外可见光吸收光谱,共测试三小时。然后取出材料,在真空干燥箱里烘干,测试扫描电子 显微镜(SEM),比较吸收前后表面形貌的变化。
[0039] 2、称取实施例2制得活化的碳气凝胶(编号为CRF-800-2)样品(实验样品 2) 0. 04g放入2ml的亚甲基蓝溶液中(100ml去离子水+2. 6mg亚甲基蓝),每隔半小时测试 紫外可见光吸收光谱,测试三小时。然后取出材料,在真空干燥箱里烘干,测试扫描电子显 微镜(SEM),比较吸收前后表面形貌的变化。
[0040] 3、称取实施例1、2步骤2制得的碳气凝胶(未经过活化的碳气凝胶)(实验样品 3) 0. 04g放入2ml的亚甲基蓝溶液中(100ml去离子水+2. 6mg亚甲基蓝),每隔半小时测试 紫外可见光吸收光谱。然后取出材料,在真空干燥箱里烘干,测试扫描电子显微镜(SEM),t匕 较吸收前后表面形貌的变化。
[0041] 通过紫外可见光吸收光谱可以看出:本发明制备的碳气凝胶吸附效率更高,从图 2所示紫外可见光吸收光谱中可以看出,实验样品1 (编号CRF-1000-2),3h的吸附率就达到 97% ;从图3所示紫外可见光吸收光谱中可以看出,实验样品2(编号CRF-800-2),3. 5h的 吸附率达95. 5%,性能远高于活性炭的吸附效果。从图4所示紫外可见光吸收光谱,实验样 品3 (未经过活化的碳气凝胶)的吸附率明显低于活化后的炭气凝胶。
[0042] 本发明还可以通过调节R/C比、Μ值控制材料的孔结构,能适用于多种吸附过滤对 象,应用范围更广。
[〇〇43] 需要强调的是,本发明所述的实施例是说明性的,而不是限定性的,因此本发明包 括并不限于具体实施方式中所述的实施例,凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案 得出的其他实施方式,同样属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1. 一种高吸附性能碳气凝胶的制备方法,其特征在于包括以下步骤: 步骤1、制备有机气凝胶:将间苯二酚和甲醛混合,加入催化剂碳酸钠以及去离子水, 搅拌0. 5h-l. Oh,密封后放入恒温烘箱中进行老化、凝固,得到有机湿凝胶;将有机湿凝胶 放入无水酒精中进行溶液替换,然后进行常压干燥,得到有机气凝胶; 步骤2、制备碳气凝胶:将有机气凝胶放入管式炉中,在氮气氛围下进行碳化,得到碳 气凝胶; 步骤3、制备二氧化碳活化的碳气凝胶:将碳化好的碳气凝胶放入管式炉中,通入二氧 化碳进行活化,然后得到活化的碳气凝胶。
2. 根据权利要求1所述的一种高吸附性能碳气凝胶的制备方法,其特征在于:所述步 骤1中间苯二酚和甲醛以1:2的摩尔比混合,所述催化剂碳酸钠的浓度为0. 05mol/L ;所述 间苯二酚与催化剂碳酸钠的摩尔比为1500,间苯二酚和甲醛占总溶液的质量分数为30。
3. 根据权利要求1所述的一种高吸附性能碳气凝胶的制备方法,其特征在于:所述步 骤1老化、凝固的时间为5天;所述进行溶液替换为5天,每天更换一次。
4. 根据权利要求1所述的一种高吸附性能碳气凝胶的制备方法,其特征在于:所述步 骤2进行碳化时的温度范围为0-1050°C ;所述步骤2进行碳化的时间为2小时。
5. 根据权利要求1所述的一种高吸附性能碳气凝胶的制备方法,其特征在于:所述步 骤3进行二氧化碳活化时的温度为0-1000°C,并在上述温度范围内逐渐增温进行活化。
6. 根据权利要求1所述的一种高吸附性能碳气凝胶的制备方法,其特征在于:所述步 骤3通入二氧化碳的通气速率为60ml/min。
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