CN111085169A - 一种基于聚乙烯微塑料的多孔炭吸附剂及制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于聚乙烯微塑料的多孔炭吸附剂及制备方法和应用，涉及废弃塑料处理转化及水体处理技术领域。其制备包括以下步骤：1）将聚乙烯（PE）微塑料分散于浓硫酸中，经过加热回流、加碱中和、离心、干燥处理后得到磺化微塑料；2）所述磺化微塑料经高温热解、水洗去除无机盐处理后即得到所述基于聚乙烯微塑料的多孔炭吸附剂。该多孔炭吸附剂具有大量的孔隙结构和较大的BET比表面积，其比表面积最大可达1948 cm2/g；将该多孔炭吸附剂用于水体染料亚甲基蓝的去除，其最大吸附量可达704.7 mg/g。本发明提供了PE微塑料便捷的资源化处理方法，操作流程简单，反应后的固相吸附剂易于分离，在水污染处理领域具有良好的应用前景。

Description

一种基于聚乙烯微塑料的多孔炭吸附剂及制备方法和应用
技术领域
本发明属于废弃塑料处理、资源化及环境水体处理技术领域，具体涉及一种基于聚乙烯微塑料的多孔炭吸附剂及制备方法和应用。
背景技术
塑料制品由于多功能、质轻便携、耐腐蚀、成本低的优点，在世界范围内广泛使用。据统计，仅2018年全球塑料生产量就达到3.48亿吨，其中PE的生产量达到将近1亿吨，这些塑料制品在使用之后产生的废弃塑料只有不到10%被回收利用，绝大部分的塑料垃圾被丢弃在环境中，造成非常严重的环境问题。近年来，微塑料污染的问题引起了全球的广泛关注。微塑料主要是指由环境中的塑料制品破碎所生成的尺寸小于5 mm的塑料碎片。由于环境中废弃塑料制品的大量堆积，导致微塑料遍布全球，无处不在，并造成严重的环境和生态威胁。因此，微塑料污染问题已成为亟待解决的重要环境问题。
传统的塑料处理方式填埋法侵占大量场地，恶化周边环境，逐渐被焚烧法替代并回收部分热能，但同时会释放有毒有害气体，由此引起大气和地下水污染等环境问题。因此实现废弃塑料的绿色、高效循环或转化至关重要。PE是以石油为原料裂解产生的乙烯单体聚合而成的高分子材料，主要是由碳、氢两种元素构成，其含碳率高达85.7%，因此可将其作为用于材料合成的高纯度固体碳源。可通过合理有效的方法实现废弃塑料价值的“上转换”，将其转化为具有极高附加值的多孔炭材料。
染料废水，作为一种典型的废水污染源，主要由纺织、造纸等工业产生。由于色度大，难降解和严重的生物毒性，染料废水的处理已经成为一个亟待解决的环境问题。亚甲基蓝作为一种阳离子染料，广泛应用于纺织印染等工业中。
目前有关去除水体中染料的处理技术非常广泛，其中利用吸附法去除水体中染料污染物是一种操作简单、高效环保的水处理技术。多孔炭材料，由于其具有发达的孔隙结构和超高的比表面积，成为一种非常具有应用前景的环境吸附剂。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于聚乙烯微塑料的多孔炭吸附剂及制备方法和应用，将PE微塑料或废弃PE微塑料转化为超高比表面积的多孔炭吸附剂，并将其用于水体中染料的吸附去除。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种基于聚乙烯微塑料的多孔炭吸附剂的制备方法，该方法包括以下具体步骤：
步骤1：将聚乙烯微塑料分散于质量分数为95%-98%的浓硫酸中磺化，在50-200℃下加热回流5-24 h后自然冷却至室温；其中，聚乙烯微塑料与浓硫酸的投料比为3 g / 150 mL；
步骤2：将磺化产物加无机碱中和、离心清洗后，在冷冻干燥机中干燥，得到磺化塑料；其中，所述无机碱与塑料的投料比为40 g/3 g，酸碱中和过程，温度控制在25-40℃范围内；所述离心清洗直到所有固体完全溶于水中，即直到不能通过离心得到沉淀为止；
步骤3：将上述磺化塑料在纯度为99.999%的N2保护下于管式炉中以0.5-20℃/min 的升温速率升至500-1000℃，焙烧0.5-4 h；高温焙烧后的产物，经过3次水洗离心，在80℃烘箱中干燥，得到所述基于聚乙烯微塑料的多孔炭吸附剂。
所述聚乙烯微塑料选自聚乙烯微塑料粉末或农业用废弃PE地膜。
步骤2中所用无机碱为氢氧化钠、碳酸钠或硫酸钠。
一种上述方法制得的基于聚乙烯微塑料的多孔炭吸附剂。
一种上述的基于聚乙烯微塑料的多孔炭吸附剂在吸附去除水体染料亚甲基蓝的应用。
所述的应用，是将2-10 mg多孔炭吸附剂投加到浓度为25-1000 mg/L的染料废水中并匀速震荡，3-12 h内达到吸附平衡，对亚甲基蓝的饱和吸附量能够达到581.1-704.7mg/g。
本发明具有下列优点和效果：
1）本发明的制备方法原材料来源于环境污染物-废弃PE塑料，将其转变为高性能多孔炭材料，实现了废弃塑料的高附加值转换；
2）该多孔炭材料对于水体染料亚甲基蓝具有很强的去除能力，可以用于解决水污染和水资源短缺等问题，并实现了“以废治废”的环保路线；
3）材料的合成方法操作简单，用于水处理不产生二次污染，固相催化剂易于分离回收再利用，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的多孔炭吸附剂的扫描电镜照片；
图2为本发明实施例1制备的多孔炭吸附剂的BET比表面积数据图；
图3为本发明实施例1及实施例2制备的多孔炭吸附剂在中性条件下吸附亚甲基蓝的吸附热力学曲线及与商业活性炭在相同条件下吸附亚甲基蓝的热力学曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
选取PE微塑料粉末为原料，称取3 g分散于装有150 mL浓度为98%浓硫酸的圆底烧瓶中，用加热套加热回流8 h后自然冷却至室温，得到黑色液体；
上述黑色液体缓慢滴加入配比为40 g NaOH/200 mL水的溶液中，滴加过程在冰水浴中进行，保证该中和反应体系的温度低于40 ℃。
加碱中和后所得产物在离心机中5000 r/min离心5 min，用超纯水清洗所得固体，离心，直到所有固体完全溶于水中，即离心无法将固液分离为止。
上一步所得产物冷冻并在冷冻干燥机中干燥，得到磺化微塑料，为黑色固体粉末。
将上述磺化微塑料在纯度为99.999%的N2保护下于管式炉中以5℃/min 的升温速率升至800℃焙烧2 h；高温焙烧后的产物，经过3次水洗离心以去除残余固体无机盐，之后在80℃烘箱中干燥12 h，即可得到多孔炭吸附剂，为黑色固体粉末；其扫描电镜照片如图1所示；BET比表面积数据图如图2所示。
取5 mg多孔炭吸附剂投加到20 mL含有浓度为25-1000 mg/L亚甲基蓝的溶液中匀速震荡，12 h内达到吸附平衡，对亚甲基蓝的饱和吸附量可达到704.7 mg/g。
实施例2
选取废弃PE地膜为原料，切割为5 mm ×5 mm的微塑料碎片，按照实施例1的方法制备多孔炭吸附剂。吸附实验操作与实施例1相同，该多孔炭吸附剂对亚甲基蓝的饱和吸附量可达到581.1 mg/g。
本发明实施例1、实施例2制得的多孔炭吸附剂与商业活性炭在相同条件下吸附亚甲基蓝的热力学曲线对比图如图3所示，从图中可以看出基于聚乙烯微塑料的多孔炭吸附剂对于亚甲基蓝染料的去除能力远大于商用活性炭（其最大吸附量为408.7 mg/g）。

Claims (6)

1.一种基于聚乙烯微塑料的多孔炭吸附剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：
（1）将聚乙烯微塑料分散于质量分数为95%-98%的浓硫酸中磺化，在50-200℃下加热回流5-24 h后自然冷却至室温；其中，聚乙烯微塑料与浓硫酸的投料比为3 g / 150 mL；
（2）将磺化产物加无机碱中和、离心清洗后，在冷冻干燥机中干燥，得到磺化塑料；其中，所述无机碱与塑料的投料比为40 g/3 g，酸碱中和过程，温度控制在25-40℃范围内；所述离心清洗直到所有固体完全溶于水中，即直到不能通过离心得到沉淀为止；
（3）将所述磺化塑料在纯度为99.999%的N2保护下于管式炉中以0.5-20℃/min 的升温速率升至500-1000℃，焙烧0.5-4 h；高温焙烧后的产物，经过3次水洗离心，在80℃烘箱中干燥，得到所述基于聚乙烯微塑料的多孔炭吸附剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯微塑料选自聚乙烯微塑料粉末或农业用废弃PE地膜。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述无机碱为氢氧化钠、碳酸钠或硫酸钠。
4.一种权利要求1所述方法制得的基于聚乙烯微塑料的多孔炭吸附剂。
5.一种权利要求4所述的基于聚乙烯微塑料的多孔炭吸附剂在吸附去除水体染料亚甲基蓝的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，将2-10 mg多孔炭吸附剂投加到浓度为25-1000 mg/L的染料废水中并匀速震荡，3-12 h内达到吸附平衡，对亚甲基蓝的饱和吸附量能够达到581.1-704.7 mg/g。
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