CN109850894A - 一种以废瓦楞纸纤维为原料制备多孔碳材料的方法及应用 - Google Patents
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Abstract
一种以废瓦楞纸纤维为原料制备多孔碳材料的方法，包括以下步骤：步骤1，将废瓦楞纸箱分成若干小块在水溶液中浸泡，然后进入打浆机制浆，取出烘干；步骤2，对经步骤1处理后的纸纤维，采用强碱溶液进行强碱活化处理；步骤3，对步骤2处理后的纸纤维进行烘干处理，获得活化后纸纤维；步骤4，将步骤3处理后所得的活化后纸纤维进行碳化，最后进行洗涤、中和、烘干即得到多孔碳材料；具有操作简单，效率高，易于实现的特点。
Description
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种以废瓦楞纸纤维为原料制备多孔碳材料的方法及应用。
背景技术
生物碳可以在缺氧环境中从多种热解碳材料中获得。其本身具有较好稳定性、原材料来源丰富、成本低、易回收利用、吸附能力强、电化学性能独特等优点，被认为是一种新型、高潜力的生态材料。鉴于生物碳的高含碳量和多孔的特性，因此具有提高土壤蓄水能力，还能为土壤中微生物建立保护通道，并能较好吸附CO2，最终达到提高作物产量的效果。此外，在最近几年，它作为吸附剂去除水溶液中的污染越来越受到人们的重视。目前，生物碳主要由氢氧化钾、碳酸钾、氯化锌、磷酸等活化剂对其进行活化处理，然后进行碳化。生物碳的碳化方法主要概括为慢速热裂解(炭化)、快速热裂解、气化热裂解和微波裂解这四种。
近年来，随着网购的兴起和快递数量的急剧增加，合理高效的回收瓦楞纸箱已成为一个重要的研究方向。传统瓦楞纸箱回收要么直接制造再生包装纸，要么回收制成纸浆模塑或燃烧产生能源。这些方法具有效率低、成本高、回收再利用性较差等缺陷，而瓦楞纸纤维的主要原材料为纤维素与半纤维素且蓬松多孔，碳化后可以得到多孔碳材料。多孔碳吸附法是近些年处理染料废水最为成功的方法之一。其主要特点是操作简单，效率高，易于实现。目前，制备多孔碳的原料与方法多种多样，研究者一直在大力研发以可再生资源(农作物秸秆、椰子壳、核桃壳、油棕壳)为原料制备不同用途的活性炭。由于制备活性炭的原材料和活化试剂的不同，其制备工艺条件、方法也存在很大差异。制备活性炭最常用的方法是物理活化法和化学活化法。但物理活化法活化时间长、活化温度高、所制备活性炭的孔径结构较小，制备出的多孔碳吸附性能较差。化学活化法主要以磷酸或磷酸盐为活化剂，改方法最终生成中孔，且存在活化剂成本高、腐蚀设备、污染环境、产品残留活化剂等缺点。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种以废瓦楞纸纤维为原料制备多孔碳材料的方法及应用，具有操作简单，效率高，易于实现的特点。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种以废瓦楞纸纤维为原料制备多孔碳材料的方法，包括以下步骤：
步骤1，将废瓦楞纸箱分成若干小块在水溶液中浸泡，然后进入打浆机制浆，取出烘干；
步骤2，对经步骤1处理后的纸纤维，采用强碱溶液进行强碱活化处理；
步骤3，对步骤2处理后的纸纤维进行烘干处理，获得活化后纸纤维；
步骤4，将步骤3处理后所得的活化后纸纤维进行碳化，最后进行洗涤、中和、烘干即得到多孔碳材料。
本发明的特点还在于，
步骤2所述的强碱溶液为0.03g/ml～0.05g/ml的氢氧化钠与氢氧化钾，与纸纤维混合并在40～60℃下搅拌1～3h。
所述的氢氧化钠与氢氧化钾的摩尔比为51:49。
步骤3所述的烘干处理，处理温度为70～110℃，烘干时间为6h～12h。
步骤4所述的碳化，其碳化温度为500～1000℃，升温速率为5～10℃/min，至碳化温度后保温时间为1h～3h。
步骤4所述的中和、烘干，用质量比10％的盐酸对碳化后的纸纤维进行中和与烘干，烘干温度为70～100℃，烘干时间为3h～6h；
一种多孔碳材料作为染料废水吸附剂的应用。碳材料具有的多孔结构具有良好的吸附性能可用作染料废水的处理。
本发明的有益效果是：
本发明以回收的废瓦楞纸箱作为前驱体碳材料，通过打浆预处理获得废瓦楞纸纤维，在一定摩尔比的氢氧化钾/氢氧化钠混合溶液中进行活化，并进行高温碳化处理后得到；本发明以废瓦楞纸纤维作为原料，使得活化、炭化处理后得到的碳材料具有较多孔径和较高比表面积。由于废瓦楞纤维是由纤维素、半纤维素等制成，本身的结构蓬松多孔，用强碱混合物活化后再进行炭化可以得到多孔结构。多孔结构由于其较高的比表面积能且常用于吸附处理，因此用于吸附废水中的有害离子。
本发明选取废瓦楞纸纤维作为碳源，因其含碳率高、成分简单，碳化处理后得到的碳材料具有较高的比表面积。废瓦楞纸纤维主要由纤维素和半纤维素组成，其前身就是木材，且本身的结构蓬松有孔，碳化后可以得到更多的多孔结构。而这种多孔且比表面积较大的结构能有利于吸附废水中的一些离子污染物。本发明可以直接将废瓦楞纸纤维进行回收利用，对于瓦楞纸箱的回收利用具有重要意义，此外，制得的活性炭具有较好的吸附作用更能有效的运用于有色废水的处理上。
本发明首次以废弃瓦楞纤维做原料最终制备出高比表面积的多孔碳材料并将其用于吸附各类水溶液中的离子污染物，因此具有较好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的多孔碳材料的扫描电镜图。
图2是本发明实施例2制备的多孔碳材料的扫描电镜图。
图3是本发明实施例3制备的多孔碳材料的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种以废瓦楞纸纤维为原料制备多孔碳材料方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将废瓦楞纸箱用剪刀剪成若干小块并放入水溶液中进行浸泡，然后进入打浆机进行打浆，将制得的纸浆进行过滤并烘干，烘干后的原料用研磨机研磨成纸纤维；
步骤2，将废瓦楞纸纤维泡于0.03g/ml～0.05g/ml氢氧化钠与氢氧化钾混合溶液中进行搅拌，氢氧化钠与氢氧化钾的摩尔比为51:49，搅拌温度为40～60℃，浸泡时间为1～3h；
步骤3，然后将其在烘箱中放置6～12h，温度设置为70～110℃；
步骤4，将步骤3中活化后的纸纤维放入管式炉，进行碳化处理，炭化处理温度为500～1000℃，升温速度为5～10℃/min，保温时间为1～3h，碳化后取出，用质量比10％的盐酸对样品进行中和与烘干，烘干温度为70～100，时间为3h～6h，最终获得了生物质多孔碳材料。
本发明选取废瓦楞纸纤维作为碳源，因为其含碳率高、成分简单，碳化处理后得到的碳材料具有较高的比表面积。废瓦楞纸纤维主要由纤维素和半纤维素组成，其前身就是木材，且本身的结构蓬松有孔，碳化后可以得到更多的多孔结构。而这种多孔且比表面积较大的结构能有利于吸附废水中的一些离子污染物。
本发明可以直接将废瓦楞纸纤维进行回收利用，对于瓦楞纸箱的回收利用具有重要意义，此外，制得的活性炭具有较好的吸附作用更能有效的运用于有色废水的处理上。
实施例1
将打浆机纸浆并烘干的2g瓦楞纸纤维溶于100ml浓度为0.03g/ml的氢氧化钠与氢氧化钾混合溶液中，随后将溶液在40℃下浸泡并搅拌3h，浸泡后在烘箱中放置6h，温度设置为110℃；最后将处理过的纤维放在管式炉中进行碳化，碳化温度为1000℃，升温速率为10℃/min，并保温1h，取出后进行洗涤中和，再进行烘干，烘干温度100℃，烘干时间6h；碳化后得到多孔碳材料，其扫描电镜图如图1所示，可以明显看到其表面分布的孔且其孔径在纳米级左右。
实施例2
将5g瓦楞纸纤维溶于100ml浓度为0.05g/ml的氢氧化钠与氢氧化钾混合溶液中，随后将溶液在60℃下浸泡并搅拌1h，浸泡后在烘箱中放置12h，温度设置为70℃；最后将处理过的纤维放在管式炉中进行碳化，碳化温度为500℃，升温速率为5℃/min，并保温3h，取出后进行洗涤中和，再进行烘干，烘干温度70℃，烘干时间3h；碳化后得到多孔碳材料。其扫描电镜图如图2所示，可以明显看到其表面分布的孔且其孔径在纳米级左右。
实施例3
将3g瓦楞纸纤维溶于100ml浓度为0.04g/ml的氢氧化钠与氢氧化钾混合溶液中，随后将溶液在50℃下浸泡并搅拌2h，浸泡后在烘箱中放置9h，温度设置为100℃；最后将处理过的纤维放在管式炉中进行碳化，碳化温度为800℃，升温速率为8℃/min，并保温2h，取出后进行洗涤中和，再进行烘干，烘干温度90℃，烘干时间5h；碳化后得到多孔碳材料。其扫描电镜图如图3所示，可以明显看到其表面分布的孔且其孔径在纳米级左右。
实施例4
将4g瓦楞纸纤维溶于100ml浓度为0.035g/ml的氢氧化钠与氢氧化钾混合溶液中，随后将溶液在45℃下浸泡并搅拌3h，浸泡后在烘箱中放置8h，温度设置为90℃。最后将处理过的纤维放在管式炉中进行碳化，碳化温度为700℃，升温速率为8℃/min，并保温1.5h，取出后进行洗涤中和，再进行烘干，烘干温度80℃，烘干时间4h；碳化后得到多孔碳材料。
实施例5
将3.5g瓦楞纸纤维溶于100ml浓度为0.045g/ml的氢氧化钠与氢氧化钾混合溶液中，随后将溶液在55℃下浸泡并搅拌3h，浸泡后在烘箱中放置10h，温度设置为80℃；最后将处理过的纤维放在管式炉中进行碳化，碳化温度为600℃，升温速率为6℃/min，并保温2.5h，取出后进行洗涤中和，再进行烘干，烘干温度85℃，烘干时间4.5h；碳化后得到多孔碳材料。
实施例6
一种多孔碳材料作为染料废水吸附剂的应用。
Claims (7)
1.一种以废瓦楞纸纤维为原料制备多孔碳材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将废瓦楞纸箱分成若干小块在水溶液中浸泡，然后进入打浆机制浆，取出烘干；
步骤2，对经步骤1处理后的纸纤维，采用强碱溶液进行强碱活化处理；
步骤3，对步骤2处理后的纸纤维进行烘干处理，获得活化后纸纤维；
步骤4，将步骤3处理后所得的活化后纸纤维进行碳化，最后进行洗涤、中和、烘干即得到多孔碳材料。
2.根据权利要求1所述的一种以废瓦楞纸纤维为原料制备多孔碳材料的方法，其特征在于，步骤2所述的强碱溶液为0.03g/ml～0.05g/ml的氢氧化钠与氢氧化钾，与纸纤维混合并在40～60℃下搅拌1～3h。
3.根据权利要求2所述的一种以废瓦楞纸纤维为原料制备多孔碳材料的方法，其特征在于，所述的氢氧化钠与氢氧化钾的摩尔比为51:49。
4.根据权利要求1所述的一种以废瓦楞纸纤维为原料制备多孔碳材料的方法，其特征在于，步骤3所述的烘干处理，处理温度为70～110℃，烘干时间为6h～12h。
5.根据权利要求1所述的一种以废瓦楞纸纤维为原料制备多孔碳材料的方法，其特征在于，步骤4所述的碳化，其碳化温度为500～1000℃，升温速率为5～10℃/min，至碳化温度后保温时间为1h～3h。
6.根据权利要求1所述的一种以废瓦楞纸纤维为原料制备多孔碳材料的方法，其特征在于，步骤4所述的中和、烘干，用质量比10％的盐酸对碳化后的纸纤维进行中和与烘干，烘干温度为70～100℃，烘干时间为3h～6h。
7.一种多孔碳材料作为染料废水吸附剂的应用。
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