CN105363410A - 一种活性炭复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活性炭复合材料及其制备方法，该复合材料由以下按照重量份的原料组成：酸化活性炭25-35份、麦饭石10-20份、硅溶胶1-10份、硝酸镍2-6份、硫化钠1-5份、羟丙基甲基纤维素3-7份、3-氨丙基三乙氧基硅烷1-6份。本发明用于制备水处理剂。本发明提供结构稳定的复合材料，具有吸附能力高、对重金属吸附稳定、无二次污染的优点。

Description

一种活性炭复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及水处理材料领域，具体是一种活性炭复合材料及其制备方法。

背景技术

据经济合作与发展组织最新公布的《中国环境绩效评估》报告，目前流经中国城市的超过75％的水体不适合饮用，30％以上的检测河流水质属于劣V类。随着工业发展，城市生活饮用水水源受污染程度日益加剧，同时随着生活水平的提高，人们对饮用水质的要求以及饮用水质标准越来越严格。

目前市场上用于水处理的活性炭材料，其作用原理主要是通过物理吸附作用的方式将污染物与水进行分离。活性炭由于具有巨大的比表面积及发达的空隙结构，因此对水中溶解态有机物如酚类化合物等具有较强的吸附能力，适用于饮用水深度净化。但采用活性炭为水处理剂，存在一些问题，如活性炭的吸附量与成本的比值还需进一步提高，且其吸附为物理吸附，容易在吸附过程中脱附，造成二次污染。为了在这样的用途中有效地发挥功能，要求活性炭具有适当的物性，提出了通过改良活性炭以提高各种特性的技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种吸附能力高、对重金属吸附稳定、无二次污染的一种活性炭复合材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种活性炭复合材料，由以下按照重量份的原料组成：酸化活性炭25-35份、麦饭石10-20份、硅溶胶1-10份、硝酸镍2-6份、硫化钠1-5份、羟丙基甲基纤维素3-7份、3-氨丙基三乙氧基硅烷1-6份。

作为本发明的进一步方案，本发明由以下按照重量份的原料组成：酸化活性炭28-32份、麦饭石12-18份、硅溶胶3-7份、硝酸镍3-5份、硫化钠2-4份、羟丙基甲基纤维素4-6份、3-氨丙基三乙氧基硅烷2-5份。

作为本发明的进一步方案，本发明由以下按照重量份的原料组成：酸化活性炭30份、麦饭石15份、硅溶胶5份、硝酸镍4份、硫化钠3份、羟丙基甲基纤维素5份、3-氨丙基三乙氧基硅烷4份。

作为本发明的进一步方案，本发明的所述酸化后的活性炭的生产方法，具体步骤为：（1）先将活性炭粉碎后，缓慢加入稀硝酸并不停搅拌进行酸化处理；其中，所述稀硝酸的浓度为1.25wt%；（2）将酸化处理后的活性炭粉末，通过对辊机挤压为活性炭片状物，活性炭片状物的厚度≤0.35毫米；（3）将活性炭片状物输送到回转式烘干炉内烘干活化，烘干时间为6-7小时，烘干温度控制在135-145℃，烘干后的活性炭片状物含水量≤7％，烘干后的活性炭片状物为酸化后的活性炭半成品；（4）将酸化后的活性炭半成品输入磨机中磨粉，颗粒细度≤0.07毫米，磨粉后的粉状物为酸化活性炭成品。

本发明还提供一种活性炭复合材料的制备方法，由以下步骤组成：

1）将3-氨丙基三乙氧基硅烷与酸化活性炭研磨，过150目筛，制得混合物A；

2）将麦饭石与硝酸镍混合后，再加入二者12-15倍质量的蒸馏水，然后对其进行超声处理，超声处理条件为：温度55℃，超声功率450W，超声时间60min；制得混合物B；

3）将硅溶胶、硫化钠以及羟丙基甲基纤维素三者混合后，再加入三者8-12倍质量的蒸馏水，然后对其进行超声处理，超声处理条件为：温度55℃，超声功率500W，超声时间60min；制得混合物C；

4）将混合物A、B置入混合物C中，再对其进行超声处理，超声处理条件为：温度60℃，超声功率500W，超声时间55min；制得混合物C；

5）将混合物D置入110℃的烘箱中烘干，制得混合物E；

6）将混合物E置入反应釜中高温煅烧7h，高温煅烧温度为650℃，再降至室温，即得一种活性炭复合材料。

水处理装置，包括水处理剂和用以装载水处理剂的容器，所述水处理剂含有上述一种活性炭复合材料。

活性炭是一种含碳材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达，比表面积大、吸附能力强的一类碳素材料，是一种常用的吸附剂、催化剂或催化剂载体。活性炭有着广泛的用

途，为了提高活性炭的应用质量，需要对采用物理法生产的活性炭进行酸化处理，本发明选用粉碎后的活性炭，活性炭的颗粒细度≤0.5毫米。

硅溶胶：是一种高活性吸附材料，属非晶态物质，其化学分子式为mSiO2·nH2O，经硅酸凝胶干燥脱水得到，主要成分不能说是SiO2。不溶于水和任何溶剂，无毒无味，化学性质稳定，除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应。硅胶根据其孔径的大小分为：大孔硅胶、粗孔硅胶、B型硅胶、细孔硅胶。各种型号的硅胶因其制造方法不同而形成不同的微孔结构。

硫化钠可与水中的汞离子反应成硫化汞，硫化汞易于被吸附，同时，在铝及合金碱性蚀刻溶液中添加适量的硫化钠可明显改善蚀刻表面质量，同时也可用于碱性蚀刻液中锌等碱溶性重金属杂质的去除。

硝酸镍：碧绿色单斜晶系板状晶体，密度2.05g/cm3，熔点56.7℃，沸点136.7℃(饱和溶液)。溶解度96.3(g/100gH2O)易溶于水，液氨，乙醇，微溶于丙酮，水溶液呈酸性，有吸湿性，潮湿空气中很快潮解。干燥空气中缓慢风化。受热时会失去四个分子水，温度高于110℃时开始分解并形成碱式盐，继续加热生成棕黑色的三氧化二镍和绿色的氧化亚镍的混合物。易溶于水，水溶液呈酸性，溶于氨水，液氨，氧化剂，与有机物还原及易燃物硫。

麦饭石：(1)吸附力强：所谓吸附乃是具有多孔性、巨大表面积的固体全部溶化作用，而发生化学的、物理的反应。麦饭石作为中药对皮肤病，特别是拔脓，效果很好。麦饭石是多孔性的，吸附能力很强，因其主要成分为二氧化硅、氧化铝从这点来考虑，是容易理解的。在前面介绍的麦饭石微细粉末的电子显微镜照相中，已确认是海绵状多孔性的，是其最大的原因。也就是说，因多孔性，那么表面就非常大，由于长石部分风化，成高岭土状等，故始终保持很强的吸附作用、交换作用。

(2)麦饭石对水的净化作用：麦饭石是一种中性碱半火成岩，接近于火山岩。麦饭石中包含的天然矿物质易于释放从麦饭石上无数的小孔中释放出氧。通过吸收漂白粉和其它有毒物质净化水。麦饭石中散发出的钙、铁、钠等矿物质可改良饮用水。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的活性炭复合材料，具有吸附能力高、对重金属吸附稳定、无二次污染的优点，本发明的复合材料中镍、钛与活性炭、麦饭石具有高的结合强度，可以防止镍、钛从活性炭、麦饭石上脱落，引起对水的二次污染。其中，酸化后的活性炭具有较好的吸附性、触变性、热稳定性、可塑性、粘结性和干压强度高的特点，提高了水质净化效果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例中，一种活性炭复合材料，由以下按照重量份的原料组成：酸化活性炭15份、硅溶胶0.1份、硝酸镍5份、硫化钠0.1份、羟丙基甲基纤维素1份、麦饭石20份、3-氨丙基三乙氧基硅烷1份。制备过程，1）将3-氨丙基三乙氧基硅烷与酸化活性炭研磨，过100目筛，制得混合物A；

2）将麦饭石与硝酸镍混合后，再加入二者12-15倍质量的蒸馏水，然后对其进行超声处理，超声处理条件为：温度50℃，超声功率400W，超声时间55min；制得混合物B；

3）将硅溶胶、硫化钠与羟丙基甲基纤维素三者混合后，再加入三者5-8倍质量的蒸馏水，然后对其进行超声处理，超声处理条件为：温度60℃，超声功率400W，超声时间60min；制得混合物C；

4）将混合物A、B置入混合物C中，再对其进行超声处理，超声处理条件为：温度50℃，超声功率400W，超声时间50min；制得混合物C；

5）将混合物D置入100℃的烘箱中烘干，制得混合物E；

6）将混合物E置入反应釜中高温煅烧6h，高温煅烧温度为650℃，再降至室温，即得一种活性炭复合材料。

实施例2

本发明实施例中，一种活性炭复合材料，由以下按照重量份的原料组成：酸化活性炭20份、硅溶胶2份、硝酸镍10份、硫化钠2份、羟丙基甲基纤维素5份、麦饭石30份、3-氨丙基三乙氧基硅烷3份。制备过程与实施例1步骤相同。

实施例3

本发明实施例中，一种活性炭复合材料，由以下按照重量份的原料组成：酸化活性炭16份、硅溶胶0.8份、硝酸镍6份、硫化钠0.8份、羟丙基甲基纤维素5份、麦饭石22份、3-氨丙基三乙氧基硅烷1.5份。制备过程与实施例1步骤相同。

实施例4

本发明实施例中，一种活性炭复合材料，由以下按照重量份的原料组成：酸化活性炭18份、硅溶胶1.5份、硝酸镍8份、硫化钠1.5份、羟丙基甲基纤维素4份、麦饭石28份、3-氨丙基三乙氧基硅烷2.5份。制备过程与实施例1步骤相同。

实施例5

本发明实施例中，一种活性炭复合材料，由以下按照重量份的原料组成：酸化活性炭17份、硅溶胶1份、硝酸镍7份、硫化钠1份、羟丙基甲基纤维素3份、麦饭石25份、3-氨丙基三乙氧基硅烷2份。制备过程与实施例1步骤相同。

为了说明本发明在污水处理中的应用，使用实施例1-5中的样品。

实施例6

将5mg的实施例1-5制备的一种活性炭复合材料各自与10mL浓度为5ppm的汞离子、5ppm的铅离子的水溶液混合，搅拌反应8h。处理后的水溶液中汞离子、铅离子浓度通过电感耦合等离子体质谱(ThermoICP-MSXII)检测，汞离子浓度均小于1.5ppb，铅离子浓度均小于2.5ppb。

实施例1-5处理污水的结果如表1所示。

表1

名称	处理的污染物的种类与用量	处理后污染物的含量（ppb）
			实施例1-5	10ml汞元素浓度为5ppm的水溶液	汞元素＜1.5ppb
实施例1-5	10ml铅元素浓度为5ppm的水溶液	铅元素＜2.5ppb

从表1可以看出，采用活性炭制备的复合材料作为水处理剂，可以高效地除去水中的重金属离子。

实施例7

将5mg的实施例1-5制备的一种活性炭复合材料各自与10mL浓度为5ppm的汞离子、5ppm的铅离子的水溶液混合，调节上述溶液的pH值至7，搅拌反应5h。处理后的水溶液中汞离子、铅离子浓度通过电感耦合等离子体质谱(THERMOICP-MSXII)检测，汞离子浓度均小于1.5ppb，铅离子浓度均小于2.5ppb。

实施例8

采用实施例7相同的步骤，不同的是，调节一种活性炭复合材料与汞离子、铅离子水溶液混合液的pH值至6。

实施例9

采用实施例7相同的步骤，不同的是，调节一种活性炭复合材料与汞离子、铅离子水溶液混合液的pH值至2。

实施例7-9处理污水的结果如表2所示。

表2

名称	pH值	处理后污染物的含量（ppb）
			实施例7	7	汞元素＜1.5ppb，铅元素＜2.5ppb
实施例8	6	汞元素＜1.5ppb，铅元素＜2.5ppb
			实施例9	2	汞元素＜1.5ppb，铅元素＜2.5ppb

从表2的结果可以看出，采用本发明制备得到的一种活性炭复合材料，在不同的pH值条件下均具有良好的水处理效果。

对比例1

将20mg的颗粒活性炭(GAC，20-40目，Sigma-Aldrich公司购买)，其余步骤同实施例6，处理结果为：汞元素174ppb，铅元素246ppb。

对比例2

将20mg的对比例2，对比例2无活性炭，其余与实施例5一致，处理步骤同实施例6，处理结果为：汞元素601ppb，铅元素684ppb。

对比例3

将20mg的对比例3，对比例3无3-氨丙基三乙氧基硅烷，其余与实施例5一致，处理步骤同实施例6，处理结果为：汞元素116ppb，铅元素181ppb。

对比例4

将20mg的对比例4，对比例4无混合物A，其余与实施例5一致，处理步骤同实施例6，处理结果为：汞元素1176ppb，铅元素1503ppb。

实施例6与对比例1-4的处理汞离子、铅离子的结果如表3所示。

表3

名称	水处理剂用量	处理后污染物的含量（ppb）
			实施例6	5	汞元素＜1.5ppb，铅元素＜2.5ppb
对比例1	20	汞元素174ppb，铅元素264ppb
			对比例2	20	汞元素601ppb，铅元素684ppb
对比例3	20	汞元素116ppb，铅元素181ppb
			对比例4	20	汞元素1176ppb，铅元素1503ppb

从表3的结果可以看出，实施例6中采用本发明的一种活性炭复合材料处理汞离子、铅离子的效果明显优于对比例1中采用颗粒活性炭(GAC，20-40目)处理汞离子、铅离子的效果。对比例2-3的结果表明，在活性炭与3-氨丙基三乙氧基硅烷的相互作用下，使得本发明具有优异的处理汞离子、铅离子的能力。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种活性炭复合材料，其特征在于，由以下按照重量份的原料组成：酸化活性炭25-35份、麦饭石10-20份、硅溶胶1-10份、硝酸镍2-6份、硫化钠1-5份、羟丙基甲基纤维素3-7份、3-氨丙基三乙氧基硅烷1-6份。

2.根据权利要求1所述的一种活性炭复合材料，其特征在于，由以下按照重量份的原料组成：酸化活性炭28-32份、麦饭石12-18份、硅溶胶3-7份、硝酸镍3-5份、硫化钠2-4份、羟丙基甲基纤维素4-6份、3-氨丙基三乙氧基硅烷2-5份。

3.根据权利要求2所述的一种活性炭复合材料，其特征在于，由以下按照重量份的原料组成：酸化活性炭30份、麦饭石15份、硅溶胶5份、硝酸镍4份、硫化钠3份、羟丙基甲基纤维素5份、3-氨丙基三乙氧基硅烷4份。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种活性炭复合材料，其特征在于，所述酸化后的活性炭的生产方法，具体步骤为：（1）先将活性炭粉碎后，缓慢加入稀硝酸并不停搅拌进行酸化处理；其中，所述稀硝酸的浓度为1.25wt%；（2）将酸化处理后的活性炭粉末，通过对辊机挤压为活性炭片状物，活性炭片状物的厚度≤0.35毫米；（3）将活性炭片状物输送到回转式烘干炉内烘干活化，烘干时间为6-7小时，烘干温度控制在135-145℃，烘干后的活性炭片状物含水量≤7％，烘干后的活性炭片状物为酸化后的活性炭半成品；（4）将酸化后的活性炭半成品输入磨机中磨粉，颗粒细度≤0.07毫米，磨粉后的粉状物为酸化活性炭成品。

5.一种如权利要求1-4任一所述的一种活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，由以下步骤组成：

1）将3-氨丙基三乙氧基硅烷与酸化活性炭研磨，过150目筛，制得混合物A；

2）将麦饭石与硝酸镍混合后，再加入二者12-15倍质量的蒸馏水，然后对其进行超声处理，超声处理条件为：温度55℃，超声功率450W，超声时间60min；制得混合物B；

3）将硅溶胶、硫化钠以及羟丙基甲基纤维素三者混合后，再加入三者8-12倍质量的蒸馏水，然后对其进行超声处理，超声处理条件为：温度55℃，超声功率500W，超声时间60min；制得混合物C；

4）将混合物A、B置入混合物C中，再对其进行超声处理，超声处理条件为：温度60℃，超声功率500W，超声时间55min；制得混合物C；

5）将混合物D置入110℃的烘箱中烘干，制得混合物E；

6）将混合物E置入反应釜中高温煅烧7h，高温煅烧温度为650℃，再降至室温，即得一种活性炭复合材料。