CN108479701B - 一种超疏水超亲油碳材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超疏水超亲油碳材料及其制备方法,(1)将瓦楞纸板置于粉碎机器中粉碎;(2)将粉碎的瓦楞纸板置于管式炉中在惰性气氛的保护下进行碳化处理,即得到所述的以瓦楞纸板作为前体的超疏水超亲油碳材料。与现有技术相比,本发明制备得到的碳材料具有超疏水超亲油的卓越性能,制备方法廉价易行,绿色环保,可扩展应用,且所得碳材料能够方便的喷涂于各种常见基底上面用于高效高选择性油水分离,应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于材料改性、吸附新材料技术领域,尤其是涉及一种超疏水超亲油碳材料及其制备方法。
背景技术
电子商务和快递行业近年来的迅猛发展彻底改变了人们的生活和购物方式,与之相应大量使用的瓦楞纸板类快递包装的高附加值资源化利用也面临新的挑战。根据国家邮政局发布的相关报告显示,2016年全年我国快递服务企业消耗的瓦楞纸板就达4600万吨,大约相当于7200万棵树。人民日报的调查显示,目前我国快递业中瓦楞纸板的实际回收率不到10%,90%以上的快递包装瓦楞纸板仍然会成为城镇生活垃圾,需靠消费者、清洁工和废品回收人员处理,从而造成巨大的能源和资源浪费。因此,实现瓦楞纸板的绿色高附加值资源化利用具有重要的环境意义和实用价值。另一方面,在石油产品的开采、加工、运输等过程中也不断有石油及其衍生物的泄露事件发生。石油及其衍生物的泄漏会恶化水体水质、严重破坏生态、污染大气并通过食物链危害人类健康。相对于气浮、燃烧等处理方法,吸附法,通过具有吸附性能的亲油疏水材料将油类物质从油水混合物中分离处理并加以回收利用,是一种实现油水分离、消除油污泄漏危害的可持续性方法。因此,作为吸附方法的核心,选择性亲油疏水材料的研发是目前国内外备受关注的重要课题.
超疏水超亲油材料,是指与水的接触角大于150o与油类物质的接触角小于10o的一类功能材料。这类材料能被油类物质完全湿润性而不能被水湿润,因此被认为是实现油水分离的最佳选择。但是目前在制备此类材料的过程中非环境友好甚至有毒的化合物的使用(如含氟化合物等)以及合成方法高昂的仪器成本和时间成本大大限制了此类材料的实际应用。基于天然产物或各种废弃物的超疏水材料的合成,由于其原料成本可控、制备方法相对简单等优点是近年来国内外研究的热点。但是这些方法或者原材料较难大规模收集、或者制备过程冗长、或者仍需要使用非环境友好甚至有毒的化合物等缺点,在一定程度上降低了它们的实用价值,因此研发廉洁易行且环境友好的超疏水超亲油材料的合成方法具有重要的实际意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构稳定、成本低廉、绿色环保、性能优异的以瓦楞纸板作为前体的超疏水超亲油碳材料及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种超疏水超亲油碳材料的制备方法,采用以下步骤:
(1)将瓦楞纸板置于粉碎机器中粉碎;
(2)将粉碎的瓦楞纸板置于管式炉中在惰性气氛的保护下进行碳化处理,即得到所述的以瓦楞纸板作为前体的超疏水超亲油碳材料。
所述的瓦楞纸板包括未使用的和/或使用过的单瓦楞纸板、双瓦楞纸板以及A、B、C、E或F型瓦楞纸板中的一种或多种。
所述的粉碎机器包括粉碎机、搅拌机、球磨机、破壁机、豆浆机、榨汁机、料理机、打粉机、磨粉机或研磨机。
所述的瓦楞纸板在粉碎机器中粉碎1min-10h。
步骤(2)中碳化处理的温度为300-1000℃,时间为1-48h,采用的惰性气氛为氮气或氩气。
作为优选的实施方式碳化处理的温度为550-650℃,时间为2-3h,当碳化温度低于300℃,尤其是在低于550℃时无法使瓦楞纸板充分碳化从而表面无法形成大量的疏水亲油基团,而当碳化温度高于1000℃,尤其是在高于650℃时会造成瓦楞纸板中的碳酸钙填充剂发生分解产生亲水性的氧化钙,从而降低所得碳材料的疏水性能。
采用上述方法,以瓦楞纸板作为前体制备而成的超疏水超亲油碳材料,物理粉碎步骤将增加瓦楞纸板的表面粗糙度,碳化会进一步增强其表面粗糙度,同时改变表面基团自由能并增加疏水亲油基团的比例,最终通过表面粗糙度和低自由能疏水基团的协同促进作用基于荷叶效应实现瓦楞纸板前体碳材料稳定的宏观超疏水超亲油特性。
瓦楞纸板前体超疏水超亲油碳材料的用途为:作为涂料喷涂与各种基底表面构建超疏水超亲油组件用于各种条件下的油水分离,具有优越的选择性、稳定性、可扩展性和可重复利用性。
本发明针对快递包装瓦楞纸板的绿色资源化利用和石油衍生物泄露的处理回收这两项当今社会关注的热点问题,提出了一种基于瓦楞纸板的超疏水超亲油碳材料用于高效高选择油水分离的工艺路线,从而既为有针对性地实现纸箱类生活垃圾的绿色资源化分类处理及高附加值再利用提供理论参考和技术支持,又为高效高选择性油水分离和油类物质回收提供了一种廉价易得的新材料。本发明将解决快递包装纸箱类生活垃圾重复利用不足所造成的严重资源浪费,以及缓解石油衍生物泄露处理不当所造成的能源消耗,符合可持续发展的需求。
与现有技术相比,本发明具有以下特点:
1)本发明所用的前体瓦楞纸板为常见的城市生活垃圾,来源广泛,价格便宜,由于目前缺乏有效的高附加重复使用方法,使得绝大部分使用过的瓦楞纸板均被随意丢弃,这不仅已经成为了一种不容忽视的生活垃圾,并且还造成了巨大的资源浪费;
2)制备工艺简单易行,绿色环保,容易操作,不需要非环境友好或有毒的化合物以及高昂的仪器成本和时间成本,适用于各类瓦楞纸板,原料成本及工艺成本较低,具有重要的社会经济环境效益,能够将瓦楞纸板的高附加值可持续回收再利用,具有良好的应用前景;
3)制备得到的碳材料具有优越的超疏水超亲油的性能,能够在强酸、强碱、高离子强度和剧烈震荡等极端条件下以及表面活性剂存在的乳浊液中实现高效高选择的油水分离,结构稳定,可多次重复利用。
4)瓦楞纸板直接碳化或碳化后再物理粉碎所得材料均不具有超疏水超亲油的性能,只有将其先物理粉碎以增加其表面粗糙度后再碳化,才能充分发挥制备步骤的协同促进作用实现瓦楞纸板前体碳材料稳定的宏观超疏水超亲油特性。
附图说明
图1为实施例1中制备得到的瓦楞纸板经粉碎和不同碳化温度所得碳材料的水滴接触角图。
图2为实施例1中瓦楞纸板粉碎5min后600℃碳化得到的碳材料的油滴接触角图。
图3为实施例1中制备得到的超疏水超亲油碳材料的扫描电子显微镜谱图。
图4为瓦楞纸板先碳化后粉碎所得碳材料的扫描电子显微镜谱图;
图5为实施例1中瓦楞纸板前体制备得到的碳材料的红外光谱测试谱图;
图6为实施例1中粉碎5min后600℃碳化制备得到的超疏水超亲油碳材料分布在1MHCl,NaOH,NaCl中的水滴接触角。
图7为实施例1中制备得到的超疏水超亲油碳材料喷涂到海绵上后对石蜡油和二氯甲烷的循环吸附能力图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1:
将使用过的京东快递包装瓦楞纸箱置于飞利浦HR2104/90手持粉碎器榨汁机中粉碎5min成蓬松状,置于管式炉中,在氮气保护下400,600,800℃碳化处理2h,得到瓦楞纸板前体疏水亲油碳材料。
研究不同的粉碎和碳化温度对瓦楞纸板前体碳材料疏水亲油性能的影响,可知粉碎5min后600℃碳化所的碳材料具有最佳的超疏水超亲油性能。
图1为实施例1中制备得到的瓦楞纸板经粉碎和不同碳化温度所得碳材料的水滴接触角。由图1可以看出,粉碎5min后600℃碳化所的碳材料具有超疏水性能。
图2为实施例1中粉碎5min后600℃碳化所得碳材料的油滴接触角图。由图2可以看出,粉碎5min后600℃碳化所的碳材料具有超亲油性能。
图3为实施例1中制备得到的超疏水超亲油碳材料的扫描电子显微镜谱图。由图3可以看出,粉碎5min后600℃碳化所得的超疏水超亲油碳材料具有微观粗糙的表面。
图4为瓦楞纸板先碳化后粉碎所得碳材料的扫描电子显微镜谱图。由图4可以看出,先粉碎5min后600℃碳化所得碳材料相对于先600℃碳化后粉碎5min所得碳材料具有更粗糙的微观表面。
图5制备得到的瓦楞纸板经粉碎和不同碳化温度所得碳材料的红外光谱图。由图5可以看出,粉碎5min后600℃碳化所得碳材料相对400℃碳化所得碳材料具有更少的C-O亲水基团和更多的C-C疏水基团。
图6为实施例1中粉碎5min后600℃碳化制备得到的超疏水超亲油碳材料分布在1MHCl,NaOH,NaCl中的水滴接触角。由图6可以看出,粉碎5min后600℃碳化所得碳材料在强酸、强碱和高离子强度的情况下仍然具有超疏水的性能,证实了粉碎5min后600℃碳化所得碳材料超疏水性能优越的稳定性。
图7为实施例1中制备得到的超疏水超亲油碳材料喷涂到海绵上后对石蜡油和二氯甲烷的循环吸附能力图。由图7可以看出,将所得超疏水超亲油碳材料喷涂到海绵上后能够有效的实现对油水混合物中油类物质的高选择性吸附,且这个吸附能力是可以重复使用的。
实施例2:
将使用过的京东快递包装瓦楞纸箱置于拜杰BJ-150不锈钢粉碎机中粉碎5min成蓬松状,置于管式炉中,在氮气保护下600℃碳化处理2h,得到瓦楞纸板前体碳材料。
经测试,所得的碳材料具有超疏水超亲油的性能。
实施例3:
将使用过的天猫快递包装瓦楞纸箱置于奥克斯HX-PB1250破壁料理机中粉碎5min成蓬松状,置于管式炉中,在氮气保护下600℃碳化处理2h,得到瓦楞纸板前体碳材料。
经测试,所得的碳材料具有超疏水超亲油的性能。
实施例4:
将未使用的瓦楞纸板置于飞利浦HR2104/90手持粉碎器榨汁机中粉碎5min成蓬松状,置于管式炉中,在氮气保护下600℃碳化处理2h,得到瓦楞纸板前体碳材料。
经测试,所得的碳材料具有超疏水超亲油的性能。
实施例5:
将使用过的理化(香港)有限公司旋转圆盘电极包装瓦楞纸箱置于飞利浦HR2104/90手持粉碎器榨汁机中粉碎5min成蓬松状,置于管式炉中,在氮气保护下600℃碳化处理2h,得到瓦楞纸板前体碳材料。
经测试,所得的碳材料具有超疏水超亲油的性能。
实施例6:
将使用过的安捷伦液相色谱仪包装瓦楞纸箱置于飞利浦HR2104/90手持粉碎器榨汁机中粉碎5min成蓬松状,置于管式炉中,在氮气保护下600℃碳化处理2h,得到瓦楞纸板前体碳材料。
经测试,所得的碳材料具有超疏水超亲油的性能。
实施例7:
将未使用的瓦楞纸板、使用过的京东快递包装瓦楞纸箱和使用过的理化(香港)有限公司旋转圆盘电极快递包装瓦楞纸箱置于飞利浦HR2104/90手持粉碎器榨汁机中粉碎5min成蓬松状,置于管式炉中,在氮气保护下600℃碳化处理2h,得到瓦楞纸板前体碳材料。
经测试,所得的碳材料具有超疏水超亲油的性能。
实施例8:
一种超疏水超亲油碳材料的制备方法,采用以下步骤:
(1)将双瓦楞纸板置于球磨机中粉碎1min;
(2)将粉碎的瓦楞纸板置于管式炉中在氮气的保护下进行碳化处理,控制碳化处理的温度为1000℃,时间为48h,制作得到以瓦楞纸板作为前体的超疏水超亲油碳材料。
经测试,所得的碳材料具有超疏水超亲油的性能。
实施例9:
一种超疏水超亲油碳材料的制备方法,采用以下步骤:
(1)将A、B型瓦楞纸板置于打粉机中粉碎30min;
(2)将粉碎的瓦楞纸板置于管式炉中在氮气的保护下进行碳化处理,控制碳化处理的温度为550℃,时间为3h,制作得到以瓦楞纸板作为前体的超疏水超亲油碳材料。
经测试,所得的碳材料具有超疏水超亲油的性能。
实施例10:
一种超疏水超亲油碳材料的制备方法,采用以下步骤:
(1)将E型瓦楞纸板置于磨粉机中粉碎2h;
(2)将粉碎的瓦楞纸板置于管式炉中在氩气的保护下进行碳化处理,控制碳化处理的温度为650℃,时间为2h,制作得到以瓦楞纸板作为前体的超疏水超亲油碳材料。
经测试,所得的碳材料具有超疏水超亲油的性能。
实施例11:
一种超疏水超亲油碳材料的制备方法,采用以下步骤:
(1)将单瓦楞纸板置于研磨机中粉碎10h;
(2)将粉碎的瓦楞纸板置于管式炉中在氩气的保护下进行碳化处理,控制碳化处理的温度为1000℃,时间为1h,制作得到以瓦楞纸板作为前体的超疏水超亲油碳材料。
经测试,所得的碳材料具有超疏水超亲油的性能。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。
Claims (5)
1.一种超疏水超亲油碳材料的制备方法,其特征在于,该方法采用以下步骤:
(1)将瓦楞纸板置于粉碎机器中粉碎;所述的瓦楞纸板在粉碎机器中粉碎1min-10h;
(2)将粉碎的瓦楞纸板置于管式炉中在惰性气氛的保护下进行碳化处理,即得到所述的超疏水超亲油碳材料,碳化处理的温度为600℃,时间为2h;
只有将其先物理粉碎以增加其表面粗糙度后再碳化,才能充分发挥制备步骤的协同促进作用实现瓦楞纸板前体碳材料稳定的宏观超疏水超亲油特性。
2.根据权利要求1所述的一种超疏水超亲油碳材料的制备方法,其特征在于,所述的瓦楞纸板包括未使用的和/或使用过的单瓦楞纸板或双瓦楞纸板中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种超疏水超亲油碳材料的制备方法,其特征在于,所述的粉碎机器包括粉碎机、搅拌机、球磨机、破壁机、豆浆机或榨汁机。
4.根据权利要求1所述的一种超疏水超亲油碳材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述的惰性气氛为氮气或氩气。
5.一种采用如权利要求1至4任一项所述的方法制备而成的超疏水超亲油碳材料。
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