CN107262028A - 一种超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的制备方法及其用途 - Google Patents

一种超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的制备方法及其用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的制备方法及其用途，步骤如下：步骤1、柚子皮预处理：将块状湿柚子皮在铁盐溶液中浸渍后，进行干燥处理；步骤2、磁性柚子皮碳的制备：将步骤1中干燥处理后的柚子皮置于管式炉内，在惰性气体保护下进行高温碳化，得到块状磁性柚子皮碳；步骤3、表面低能物质修饰：将步骤2中的块状磁性柚子皮碳浸过PDMS溶液后，在烘箱中烘干，即可得到超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料。本发明所用前驱体材料为天然生物质材料柚子皮，来源丰富、价格低廉、废物利用。

Description

一种超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的制备方法及其用途
技术领域
本发明涉及一种超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的制备方法及其用途，属环境功能材料制备技术领域。
背景技术
近年来，海上溢油、化工厂有机污染物的排放等事件频频发生，对环境和生态系统造成了严重甚至不可挽回的损害。油水分离已成为一个全球性的挑战，如何处理油水混合物并将其有效分离已成为目前亟待解决的问题。
目前常用油水分离方法主要有：物理法(重力分离、离心分离、膜分离)；物理化学法(吸附分离、电解)；化学法(盐析法、化学氧化)；生物化学法(微生物分解)。将常用油水分离方法进行比较，发现对于一般的非溶解性的油水分离，吸附法的优点更为明显。吸附法处理溢油的基本原理是利用亲油材料的多孔性和大的比表面积，将水体中的浮油、分散油及其他有机污染物吸附在表面，从而达到油水分离的目的。吸附剂可分为炭质吸附剂(泥炭吸附剂等)、无机吸附剂(活化矾土、泥灰岩、褐煤等)和有机吸附剂(聚烯类等)。其中碳吸附剂备受青睐，这是由于其来源丰富，可通过简单修饰改变材质的亲疏水性能。三维块体碳材料作为碳吸附剂的一种，具有化学稳定性、低密度以及多孔性等优异的性能，可作为水中有机油污的吸附材料。
柚子因为其营养丰富、容易保持等优点，成为我国最受欢迎的水果之一，主要在南方地区种植。然而柚子皮占到整个柚子的25％～45％。虽然已有关于柚子皮的美食制作的超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料关报道，但是很少有人真正把柚子皮重新利用，因此依旧造成资源极大浪费。由于柚子皮内部的白色絮状物中含有大量的纤维素，在其干燥后，可以支撑其块体结构。因此柚子皮完全可以作为一种新型的生物质用于环境的治理，如吸附水中的有机油污。
本发明充分利用资源，将水果残余物柚子皮作为碳前躯体，采用碳化/磁化和表面低能物质修饰，制备超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料，对水中的有机油污具有优异的选择性吸附，是一种具有良好前景的生物质吸附剂材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的制备方法，首先是柚子皮预处理：将块状湿柚子皮浸没于铁盐溶液后，进行干燥处理；然后，磁性柚子皮碳的制备：将干燥后的柚子皮置于管式炉内，在惰性气体保护下进行高温碳化，得到块体磁性柚子皮碳；最后，表面低能物质修饰：将浸过聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液的块体磁性柚子皮碳在烘箱中烘干，即可得到超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料。并通过多种表征手段，揭示该材料的形貌，利用油污吸附实验研究所得柚子皮碳材料对水环境中有机油污的去除性能。
本发明采用的技术方案是：
一种超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的制备方法，步骤如下：
步骤1、柚子皮预处理：将块状湿柚子皮在铁盐溶液中浸渍后，进行干燥处理；
步骤2、磁性柚子皮碳的制备：将步骤1中干燥处理后的柚子皮置于管式炉内，在惰性气体保护下进行高温碳化，得到块状磁性柚子皮碳；
步骤3、表面低能物质修饰：将步骤2中的块状磁性柚子皮碳浸过PDMS溶液后，在烘箱中烘干，即可得到超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料。
步骤1中，所使用的铁盐为Fe(NO3)3·9H2O或FeCl3，溶剂为乙醇，浓度为0～0.2molL-1。
步骤1中，所述的干燥处理为，真空冷冻干燥或烘箱干燥或微波干燥。
步骤2中，所使用的惰性气体为氮气或氩气。
步骤2中，所述碳化的温度为400～900℃，升温速率为3～10℃min-1，并保持恒温2h。
步骤3中，所使用的PDMS溶液为PDMS与固化剂的烷烃混合溶液，所使用的PDMS 的质量是溶剂的质量的0.1～2％，PDMS与固化剂的质量比为5～20：1，所述固化剂为二甲基乙烯基化的二氧化硅或三甲基乙烯基化的二氧化硅的其中一种或两种。
步骤3中，所使用的溶剂为戊烷，己烷，环己烷中的至少一种。
步骤3中，烘干温度为150～250℃，并维持恒温8～12h。
所制备的超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料用于水环境中有机油污的选择性去除。
有益效果：
(1)本发明所用前驱体材料为天然生物质材料柚子皮，来源丰富、价格低廉、废物利用。
(2)制得的超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料具有超轻、高磁性、高吸附量、快速吸附，性能稳定、再生重复利用性好等性能。
(3)鉴于该超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的高吸附量，可在水中有机污染物治理领域广泛使用。
(4)本发明的制备方法简单易行、流程较短、操作易控、成本低廉，适合推广使用。
附图说明
图1为实施例1中制备的超轻块状柚子皮碳材料的扫描电镜图；
图2为实施例1中的超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的扫描电镜图，内插图为高倍下的扫描电镜图；
图3为实施例1中超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的静态水滴接触角图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
实施例1：
首先是柚子皮预处理：将块状湿柚子皮浸没于浓度为0.1mol L-1Fe(NO3)3·9H2O或者 FeCl3的乙醇溶液后，进行真空冷冻干燥或烘箱干燥或微波干燥处理；然后，磁性柚子皮碳的制备：将干燥后的柚子皮置于管式炉内，在氮气或氩气保护下进行800℃高温碳化，升温速率为5℃min-1，并保持恒温2h，得到块体磁性柚子皮碳；最后，表面低能物质修饰：配制PDMS质量与溶剂的质量的0.5％、PDMS与固化剂的质量比为10：1的PDMS溶液，将浸过聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液的块体磁性柚子皮碳在200℃烘干固化10h，即可得到超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料。
图1中清洗地可以看出，未添加铁盐的的块体柚子皮碳表面比较光滑，并且有大孔的存在，有利于保存吸附的油污。
图2中明显的可以看出，超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料表面具有大量的表面低能物质，即固化的PDMS，并且显示微纳米粗糙结构，表明表明低能物质的修饰比较成功。
图3为超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的静态水滴接触角图，改接触角为154°说明该材料以达到超疏水的性能，说明超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料制备成功制备。
实施例2：
首先是柚子皮预处理：将块状的湿柚子皮完全浸没于浓度为0mol L-1Fe(NO3)3·9H2O或者FeCl3的乙醇溶液后，进行真空冷冻干燥或烘箱干燥或微波干燥处理；然后，磁性柚子皮碳的制备：将干燥后的柚子皮置于管式炉内，在氮气或氩气保护下进行400℃高温碳化，升温速率为3℃min-1，并保持恒温2h，得到块体磁性柚子皮碳；最后，表面低能物质修饰：配制PDMS质量与溶剂的质量的0.1％，PDMS与固化剂的质量比为5：1的PDMS溶液，将浸过聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液的块体磁性柚子皮碳在100℃烘干固化12h，即可得到超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料。
实施例3：
首先是柚子皮预处理：将块状湿柚子皮浸没于浓度为0.2mol L-1Fe(NO3)3·9H2O或者 FeCl3的乙醇溶液后，进行真空冷冻干燥或烘箱干燥或微波干燥处理；然后，磁性柚子皮碳的制备：将干燥后的柚子皮置于管式炉内，在氮气或氩气保护下进行900℃高温碳化，升温速率为10℃min-1，并保持恒温2h，得到块体磁性柚子皮碳；最后，表面低能物质修饰：配制PDMS质量与溶剂的质量的2％，PDMS与固化剂的质量比为20：1的PDMS溶液，将浸过聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液的块体磁性柚子皮碳在50℃烘干固化8h，即可得到超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料。
2、下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明：
本发明中具体实施方案中选择性吸附水环境中有机油污性能评价按照下述方法进行：在去离子水中添加一定量的油，如轻油(环己烷、机油等)、重油(四氯化碳、二氯乙烷等)，用一定质量的超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料进行油污吸附实验。其吸油量Q计算如下：
其中M(g)和Mo(g)分别是超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料吸附饱和总质量和初始质量。
实验例1：首先，去20mL的去离子水于烧杯中，并向其中添加取20mL的环己烷，将0.1g的超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料置于装有油水混合物中，待吸附饱和后，取出并称重，通过计算即可得到吸油量。结果表明：超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料对水环境中的轻油具有良好的吸附性能。
实验例2：首先，去20mL的去离子水于烧杯中，并向其中添加取20mL的四氯化碳，将0.1g的超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料置于装有油水混合物中，吸附过程中需要使用镊子将碳材料与二氯乙烷相接触，便于吸附，待吸附饱和后，取出，并称其质量，通过计算即可得到吸油量。结果表明：超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料对水环境中的重油具有良好的吸附性能。
实验例3：首先，首先，去20mL的去离子水于烧杯中，并向其中添加取20mL的环己烷，将0.1g的超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料置于装有油水混合物中，待吸附饱和后，取出并称重，通过计算即可得到吸油量。结果表明：超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料对水环境中的轻油具有良好的吸附性能。通过蒸馏法，将碳材料吸附的环己烷蒸发并收集，称重。重复以上过程8次，并表现出优异的重复利用性能。

Claims (9)

1.一种超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、柚子皮预处理：将块状湿柚子皮在铁盐溶液中浸渍后，进行干燥处理；
步骤2、磁性柚子皮碳的制备：将步骤1中干燥处理后的柚子皮置于管式炉内，在惰性气体保护下进行高温碳化，得到块状磁性柚子皮碳；
步骤3、表面低能物质修饰：将步骤2中的块状磁性柚子皮碳浸过PDMS溶液后，在烘箱中烘干，即可得到超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料。
2.根据权利要求1所述的一种超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所使用的铁盐为Fe(NO3)3·9H2O或FeCl3，溶剂为乙醇，浓度为0～0.2mol L-1。
3.根据权利要求1所述的一种超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的干燥处理为，真空冷冻干燥或烘箱干燥或微波干燥。
4.根据权利要求1所述的一种超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所使用的惰性气体为氮气或氩气。
5.根据权利要求1所述的一种超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述碳化的温度为400～900℃，升温速率为3～10℃min-1，并保持恒温2h。
6.根据权利要求1所述的一种超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，所使用的PDMS溶液为PDMS与固化剂的烷烃混合溶液，所使用的PDMS的质量是溶剂的质量的0.1～2％，PDMS与固化剂的质量比为5～20：1。
7.根据权利要求1所述的一种超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，所使用的溶剂为戊烷，己烷，环己烷中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的一种超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，烘干温度为150～250℃，并维持恒温8～12h。
9.权利要求1～8任意一项所述的方法制备的超轻块状超疏水磁性柚子皮碳材料用于水环境中有机油污的选择性去除的用途。
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