CN107051383A - 一种用于污水处理的碳材料的制作方法 - Google Patents

一种用于污水处理的碳材料的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于污水处理的碳材料的制作方法，属于材料生产领域，所述用于污水处理的碳材料的主要原料包括无烟煤、椰壳和木屑，其制作方法是将烟煤、椰壳和木屑粉碎后放于硝酸溶液中浸渍、炭化，再将所得物质用硫酸镁溶液浸渍，将其干燥后放入炭化炉中炭化3‑4h，再将所得物质放入过氧化氢溶液中浸渍8‑10h后，将其干燥、破碎后，于混合气体保护下炭化得到；这种用于污水处理的碳材料及其孔隙率高，有较高的比表面积，具备良好的吸附的作用，制作方法安全。

Description

一种用于污水处理的碳材料的制作方法
【技术领域】
本发明涉及材料生产技术领域，尤其是一种用于污水处理的碳材料的制作方法。
【技术背景】
碳是世界上含量很广的元素，它具有多样的电子轨道特性，导致了其晶体的各向异性和其排列的各向异性，使碳质材料具有各式各样的性质及形态，活性炭由80％-90％以上的碳组成，因为其拥有复杂的孔结构和较大的比表面积，是目前应用最广的吸附材料，也是一种疏水性吸附剂，传统的碳材料包括活性炭、木炭、石墨等，溶液中水和离子在进入活性炭孔隙中会发生重叠，因此，适当的活性炭孔径有利于吸附质向孔内扩散，使吸附作用更为稳定、有效。
【发明内容】
鉴于以上提出的问题，本发明提供了一种用于污水处理的碳材料的制作方法，这种用于污水处理的碳材料及其孔隙率高，有较高的比表面积，孔径分布均匀，具备良好的吸附效果，可应用于污水处理等技术领域。
本发明的技术方案如下：
一种用于污水处理的碳材料的制作方法，包括以下步骤：
(1)原料：制作用于污水处理的碳材料的主要原料包括无烟煤、椰壳和木屑；
(2)预处理：将烟煤、椰壳和木屑混合，将混合物放入粉碎机中粉碎至粒度小于1cm，得到混合物a；将混合物a放入质量浓度为3-4％的硝酸溶液中浸渍8-10h，用水洗至中性，干燥后于温度为300-350℃下进行炭化，炭化5-6h后取出，制得预处理材料b；
(3)浸渍：将步骤(2)所述预处理材料b与浸渍剂混合，于超声波震荡条件下浸渍5-7h 后，于80-105℃下干燥6-8h取出，得到物质c；其中，所述浸渍剂为8-12wt％的硫酸镁溶液；
(4)炭化：将步骤(3)干燥后的物质c放入炭化炉中，以3-5℃/min的升温速率升温至450-550℃，并保持炭化3-4h取出，冷却至常温，得到物质d；
(5)改性：将步骤(4)所得物质d放入其总质量2-3倍的改性溶剂中浸渍8-10h后，过滤，将固体残渣放于95-100℃条件下干燥8-10h后，取出将其破碎至粒度为0.25-0.3mm，再将破碎后的粉末于混合气体环境下，以3-5℃/min的升温速率升温至700-750℃并保温 30-35min，取出冷却后，即得到碳材料；其中，所述改性溶剂为质量浓度为25-30％的过氧化氢溶液；所述混合气体为体积流量是150-200ml/min的氨气、体积流量是4-6ml/min的二氧化碳与体积流量是300-350ml/min氮气的组合。
进一步地，在步骤(1)中，所述无烟煤、椰壳和木屑的质量比为2-4:4-6:1。
进一步地，在步骤(1)中，所述无烟煤、椰壳和木屑的质量比为3:5:1。
进一步地，在步骤(3)中，所述超声波为50-60KHZ。
进一步地，在步骤(5)中，所述改性溶剂为质量浓度为27％的过氧化氢溶液。
进一步地，在步骤(5)中，所述混合气体为体积流量是160ml/min的氨气、体积流量是 5ml/min的二氧化碳与体积流量是320ml/min氮气的组合。
本发明的一种用于污水处理的碳材料的制作方法与现有技术相比，具有如下优点：
本发明制作所得的碳材料所用主要原料为无烟煤、椰壳和木屑，其中，无烟煤中碳元素所占比例在90％以上，具有较好的结构强度，杂质含量少，且来源广泛，是制作炭材料的良好原料，能提高产品的收率；椰壳和木屑作为生物质原料，其微观形态较为规则，经过扩孔、炭化等处理后可制成孔隙结构规则的炭材料，将无烟煤、椰壳和木屑粉碎、浸渍、清洗、再进行炭化，脱出灰分以及焦油成分，制成预处理材料b；再将预处理材料b放入浸渍剂中，于超声波环境下浸渍，超声波的强度可使预处理材料b中的微孔结构坍塌，形成中孔结构，提高了材料的中孔率，再将浸渍后的预处理材料b在高温环境下进行炭化，可使浸渍剂中的硫元素稳固的附着在材料的孔隙当中，使其的吸附性能更加强烈和稳固；最后，对上述所得物质放入过氧化氢溶液中浸渍，将浸渍后的物质干燥后于混合气氛中升温炭化，得到最终的碳材料，其中，混合气氛是由氨气、二氧化碳和氮气混合组成，氨气气氛能够拓宽空隙，增加微孔、中孔的孔隙率，二氧化碳气氛能够增加活性炭中的碳含量，提高活性炭稳定性和机械强度，氮气气氛是一种惰性气体，可以使活性炭在碳化过程中保持缺氧状态，防止活性炭被过度氧化而降低产量。
本发明制备的碳材料以一定比例的无烟煤、椰壳和木屑为原料，该方法可以稳定无烟煤、椰壳和木屑中的活性支链结构，提高材料的强度，在改性过程中，于程序升温过程中通入的混合气氛能进一步够拓宽空隙，使所得的产品的孔洞均匀且孔隙率高，有较高的比表面积，同时，保证所得碳材料的机械强度，有较为稳定的孔隙结构，增加产品的收率。
总之，本发明提供了一种用于污水处理的碳材料及其制作方法，这种方法所制得的碳材料的孔隙率高，有较高的比表面积，机械强度好，具备良好的吸附作用，本发明的制作方法安全，有很好的应用前景。
【具体实施方式】
下面的实施例可以帮助本领域的技术人员更全面的理解本发明，但不可以以任何方式限制本发明。
实施例1
一种用于污水处理的碳材料的制作方法，包括以下步骤：
(1)原料：制作用于污水处理的碳材料的主要原料包括无烟煤、椰壳和木屑；其中，所述无烟煤、椰壳和木屑的质量比为2:4:1；
(2)预处理：将烟煤、椰壳和木屑混合，将混合物放入粉碎机中粉碎至粒度小于1cm，得到混合物a；将混合物a放入质量浓度为3％的硝酸溶液中浸渍8h，用水洗至中性，干燥后于温度为300℃下进行炭化，炭化5h后取出，制得预处理材料b；
(3)浸渍：将步骤(2)所述预处理材料b与浸渍剂混合，于超声波震荡条件下浸渍5h后，于80℃下干燥6h取出，得到物质c；其中，所述浸渍剂为8wt％的硫酸镁溶液，所述超声波为50KHZ；
(4)炭化：将步骤(3)干燥后的物质c放入炭化炉中，以3℃/min的升温速率升温至450℃，并保持炭化3h取出，冷却至常温，得到物质d；
(5)改性：将步骤(4)所得物质d放入其总质量2倍的改性溶剂中浸渍8h后，过滤，将固体残渣放于95℃条件下干燥8h后，取出将其破碎至粒度为0.25mm，再将破碎后的粉末于混合气体环境下，以3℃/min的升温速率升温至700℃并保温30min，取出冷却后，即得到碳材料；其中，所述改性溶剂为质量浓度为25％的过氧化氢溶液；所述混合气体为体积流量是150ml/min的氨气、体积流量是4ml/min的二氧化碳与体积流量是300ml/min氮气的组合。
实施例2
一种用于污水处理的碳材料的制作方法，包括以下步骤：
(1)原料：制作用于污水处理的碳材料的主要原料包括无烟煤、椰壳和木屑；其中，所述无烟煤、椰壳和木屑的质量比为4:6:1；
(2)预处理：将烟煤、椰壳和木屑混合，将混合物放入粉碎机中粉碎至粒度小于1cm，得到混合物a；将混合物a放入质量浓度为4％的硝酸溶液中浸渍10h，用水洗至中性，干燥后于温度为350℃下进行炭化，炭化6h后取出，制得预处理材料b；
(3)浸渍：将步骤(2)所述预处理材料b与浸渍剂混合，于超声波震荡条件下浸渍7h后，于105℃下干燥8h取出，得到物质c；其中，所述浸渍剂为12wt％的硫酸镁溶液，所述超声波为60KHZ；
(4)炭化：将步骤(3)干燥后的物质c放入炭化炉中，以5℃/min的升温速率升温至550℃，并保持炭化4h取出，冷却至常温，得到物质d；
(5)改性：将步骤(4)所得物质d放入其总质量3倍的改性溶剂中浸渍10h后，过滤，将固体残渣放于100℃条件下干燥10h后，取出将其破碎至粒度为0.3mm，再将破碎后的粉末于混合气体环境下，以5℃/min的升温速率升温至750℃并保温35min，取出冷却后，即得到碳材料；其中，所述改性溶剂为质量浓度为30％的过氧化氢溶液；所述混合气体为体积流量是200ml/min的氨气、体积流量是6ml/min的二氧化碳与体积流量是350ml/min氮气的组合。
实施例3
一种用于污水处理的碳材料的制作方法，包括以下步骤：
(1)原料：制作用于污水处理的碳材料的主要原料包括无烟煤、椰壳和木屑；其中，所述无烟煤、椰壳和木屑的质量比为3:5:1；
(2)预处理：将烟煤、椰壳和木屑混合，将混合物放入粉碎机中粉碎至粒度小于1cm，得到混合物a；将混合物a放入质量浓度为3.5％的硝酸溶液中浸渍9h，用水洗至中性，干燥后于温度为320℃下进行炭化，炭化5.5h后取出，制得预处理材料b；
(3)浸渍：将步骤(2)所述预处理材料b与浸渍剂混合，于超声波震荡条件下浸渍6h后，于95℃下干燥7h取出，得到物质c；其中，所述浸渍剂为10wt％的硫酸镁溶液，所述超声波为55KHZ；
(4)炭化：将步骤(3)干燥后的物质c放入炭化炉中，以4℃/min的升温速率升温至500℃，并保持炭化3.5h取出，冷却至常温，得到物质d；
(5)改性：将步骤(4)所得物质d放入其总质量2.5倍的改性溶剂中浸渍9h后，过滤，将固体残渣放于98℃条件下干燥9h后，取出将其破碎至粒度为0.28mm，再将破碎后的粉末于混合气体环境下，以4℃/min的升温速率升温至720℃并保温33min，取出冷却后，即得到碳材料；其中，所述改性溶剂为质量浓度为27％的过氧化氢溶液；所述混合气体为体积流量是160ml/min的氨气、体积流量是5ml/min的二氧化碳与体积流量是320ml/min氮气的组合。
对比例1
一种用于污水处理的碳材料的制作方法，包括以下步骤：
(1)原料：制作用于污水处理的碳材料的主要原料包括椰壳和木屑；其中，所述椰壳和木屑的质量比为5:1；
(2)预处理：将椰壳和木屑混合，将混合物放入粉碎机中粉碎至粒度小于1cm，得到混合物a；将混合物a放入质量浓度为3.5％的硝酸溶液中浸渍9h，用水洗至中性，干燥后于温度为320℃下进行炭化，炭化5.5h后取出，制得预处理材料b；
(3)浸渍：将步骤(2)所述预处理材料b与浸渍剂混合，于超声波震荡条件下浸渍6h后，于95℃下干燥7h取出，得到物质c；其中，所述浸渍剂为10wt％的硫酸镁溶液，所述超声波为55KHZ；
(4)炭化：将步骤(3)干燥后的物质c放入炭化炉中，以4℃/min的升温速率升温至500℃，并保持炭化3.5h取出，冷却至常温，得到物质d；
(5)改性：将步骤(4)所得物质d放入其总质量2.5倍的改性溶剂中浸渍9h后，过滤，将固体残渣放于98℃条件下干燥9h后，取出将其破碎至粒度为0.28mm，再将破碎后的粉末于混合气体环境下，以4℃/min的升温速率升温至720℃并保温33min，取出冷却后，即得到碳材料；其中，所述改性溶剂为质量浓度为27％的过氧化氢溶液；所述混合气体为体积流量是160ml/min的氨气、体积流量是5ml/min的二氧化碳与体积流量是320ml/min氮气的组合。
对比例2
一种用于污水处理的碳材料的制作方法，包括以下步骤：
(1)原料：制作用于污水处理的碳材料的主要原料包括无烟煤、椰壳和木屑；其中，所述无烟煤、椰壳和木屑的质量比为3:5:1；
(2)预处理：将烟煤、椰壳和木屑混合，将混合物放入粉碎机中粉碎至粒度小于1cm，得到混合物a；将混合物a放入质量浓度为3.5％的硝酸溶液中浸渍9h，用水洗至中性，干燥后于温度为320℃下进行炭化，炭化5.5h后取出，制得预处理材料b；
(3)改性：将步骤(2)所得预处理材料b放入其总质量2.5倍的改性溶剂中浸渍9h后，过滤，将固体残渣放于98℃条件下干燥9h后，取出将其破碎至粒度为0.28mm，再将破碎后的粉末于混合气体环境下，以4℃/min的升温速率升温至720℃并保温33min，取出冷却后，即得到碳材料；其中，所述改性溶剂为质量浓度为27％的过氧化氢溶液；所述混合气体为体积流量是160ml/min的氨气、体积流量是5ml/min的二氧化碳与体积流量是320ml/min氮气的组合。
对比例3
一种用于污水处理的碳材料的制作方法，包括以下步骤：
(1)原料：制作用于污水处理的碳材料的主要原料包括无烟煤、椰壳和木屑；其中，所述无烟煤、椰壳和木屑的质量比为3:5:1；
(2)预处理：将烟煤、椰壳和木屑混合，将混合物放入粉碎机中粉碎至粒度小于1cm，得到混合物a；将混合物a放入质量浓度为3.5％的硝酸溶液中浸渍9h，用水洗至中性，干燥后于温度为320℃下进行炭化，炭化5.5h后取出，制得预处理材料b；
(3)浸渍：将步骤(2)所述预处理材料b与浸渍剂混合，于超声波震荡条件下浸渍6h后，于95℃下干燥7h取出，得到物质c；其中，所述浸渍剂为10wt％的硫酸镁溶液，所述超声波为55KHZ；
(4)炭化：将步骤(3)干燥后的物质c放入炭化炉中，以4℃/min的升温速率升温至500℃，并保持炭化3.5h取出，冷却至常温，即得到碳材料。
实验案例：
本发明经过大量的实验操作，对上述几组实验所得的产品进行检测，测试各项参数，记录实验数据，参数见表1。
表1本发明与对比例的对比结果
从上述表1中可以看出，采用本发明实施例1-3方法制得的用于污水处理的碳材料及其各项指标均好于对比例1-3的材料，说明采用本发明原料和方法制得的材料，其孔径均匀，比表面积值较高，吸附性能更好。
其中，对比例1与实施例3相比，制作用于污水处理的碳材料的原料不同，并未使用无烟煤，其他方式与实施例3相同，这种产品的比表面积较低，吸附效果较差，说明本发明的将无烟煤添加至原料中，经过进一步的加工能提高中孔率和各项性能。
对比例2与实施例3相比，制作过程中并未经过硫酸镁浸渍和炭化，其他方式与实施例 3相同，所得到的产品的比表面积较小，吸附效果也相对较差，说明本发明的制作方法中用硫酸镁浸渍后炭化对碳材料的制作有较大的帮助，从而能提高产品的各项特性，提高产品的吸附率。
对比例3与实施例3相比，制作时并未经过改性处理，其他方式与实施例3相同，所得到的产品的比表面积较小，吸附效果也相对较差，与其他对比例相比，对比例3的吸附性能也较差，说明本发明的制作方法中将产物经过改性处理能有效提高产品的吸附性能。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种用于污水处理的碳材料的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)原料：制作用于污水处理的碳材料的主要原料包括无烟煤、椰壳和木屑；
(2)预处理：将烟煤、椰壳和木屑混合，将混合物放入粉碎机中粉碎至粒度小于1cm，得到混合物a；将混合物a放入质量浓度为3-4％的硝酸溶液中浸渍8-10h，用水洗至中性，干燥后于温度为300-350℃下进行炭化，炭化5-6h后取出，制得预处理材料b；
(3)浸渍：将步骤(2)所述预处理材料b与浸渍剂混合，于超声波震荡条件下浸渍5-7h后，于80-105℃下干燥6-8h取出，得到物质c；其中，所述浸渍剂为8-12wt％的硫酸镁溶液；
(4)炭化：将步骤(3)干燥后的物质c放入炭化炉中，以3-5℃/min的升温速率升温至450-550℃，并保持炭化3-4h取出，冷却至常温，得到物质d；
(5)改性：将步骤(4)所得物质d放入其总质量2-3倍的改性溶剂中浸渍8-10h后，过滤，将固体残渣放于95-100℃条件下干燥8-10h后，取出将其破碎至粒度为0.25-0.3mm，再将破碎后的粉末于混合气体环境下，以3-5℃/min的升温速率升温至700-750℃并保温30-35min，取出冷却后，即得到碳材料；其中，所述改性溶剂为质量浓度为25-30％的过氧化氢溶液；所述混合气体为体积流量是150-200ml/min的氨气、体积流量是4-6ml/min的二氧化碳与体积流量是300-350ml/min氮气的组合。
2.根据权利要求1所述一种用于污水处理的碳材料的制作方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述无烟煤、椰壳和木屑的质量比为2-4:4-6:1。
3.根据权利要求1所述一种用于污水处理的碳材料的制作方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述无烟煤、椰壳和木屑的质量比为3:5:1。
4.根据权利要求1所述一种用于污水处理的碳材料的制作方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述超声波为50-60KHZ。
5.根据权利要求1所述一种用于污水处理的碳材料的制作方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述改性溶剂为质量浓度为27％的过氧化氢溶液。
6.根据权利要求1所述一种用于污水处理的碳材料的制作方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述混合气体为体积流量是160ml/min的氨气、体积流量是5ml/min的二氧化碳与体积流量是320ml/min氮气的组合。
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