CN111389358A - 一种改性氮掺碳气凝胶的制备方法 - Google Patents

一种改性氮掺碳气凝胶的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111389358A
CN111389358A CN202010216426.6A CN202010216426A CN111389358A CN 111389358 A CN111389358 A CN 111389358A CN 202010216426 A CN202010216426 A CN 202010216426A CN 111389358 A CN111389358 A CN 111389358A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sample
carbon aerogel
modified
nitrogen
drying
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010216426.6A
Other languages
English (en)
Inventor
李杨
冯涛
李鹏威
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Wuhan University of Science and Technology WHUST
Original Assignee
Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University of Science and Engineering WUSE filed Critical Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority to CN202010216426.6A priority Critical patent/CN111389358A/zh
Publication of CN111389358A publication Critical patent/CN111389358A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/20—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising free carbon; comprising carbon obtained by carbonising processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28014—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their form
    • B01J20/28047—Gels
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/28—Treatment of water, waste water, or sewage by sorption
    • C02F1/281—Treatment of water, waste water, or sewage by sorption using inorganic sorbents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/28—Treatment of water, waste water, or sewage by sorption
    • C02F1/283—Treatment of water, waste water, or sewage by sorption using coal, charred products, or inorganic mixtures containing them
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/30—Organic compounds
    • C02F2101/308—Dyes; Colorants; Fluorescent agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/30—Organic compounds
    • C02F2101/36—Organic compounds containing halogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/30—Organic compounds
    • C02F2101/38—Organic compounds containing nitrogen

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)

Abstract

本发明公开了一种改性氮掺碳气凝胶的制备方法，制备步骤如下：将壳聚糖粉末与醋酸溶液混合搅拌，分装后冷冻干燥，随后将样品置于管式炉中，在氮气保护下高温碳化，取出后放入高浓度的氢氧化钾溶液中浸渍后过滤烘干，再次于氮气气氛的管式炉中高温碳化制，最后清洗、过滤、烘干，得到目标材料。该方法基于壳聚糖水凝胶干燥后冷冻干燥形成较高比表面积的干凝胶，以高温活化和氢氧化钾活化的方式继续增加其比表面积，修饰材料表面的官能团并增加材料的稳定性。该材料比表面积超过400m2/g，介孔发达，氮元素含量高于1.48％，石墨化氮(N‑Q)占比约44.45％。

Description

一种改性氮掺碳气凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉碳气凝胶技术领域，具体涉及一种改性氮掺碳气凝胶的制备方法及其作为水体污染物吸附剂的应用。
技术背景
碳气凝胶(carbon aerogel)又称炭气凝胶，与传统的无机气凝胶(如硅气凝胶)相比，炭气凝胶具有许多优异的性能和更加广阔的应用前景。炭气凝胶具有比表面积大、密度变化范围广、导电性好等特点。壳聚糖天然储量大，可再生，富含氮元素。近年来，改性壳聚糖作为吸附剂、电极、负载载体等应用研究是研究的热点。壳聚糖交联易形成片状结构，有一定的比表面积，且天然富含氮源，改性后易形成多种不同的官能团，从而具备多样的理化性质。未经处理的壳聚糖比表面积小，传质较慢，且表面官能团较为单一，所以通过适当的物理和化学上的改性，提高其吸附效能和应用范围是一个可行的研究方向(PremarathnaKSD,Rajapaksha AU,Sarkar B,Kwon EE,Bhatnagar A,Ok YS,et al.Biochar-basedengineered composites for sorptive decontamination of water:A review.ChemicalEngineering Journal.2019(372):536-550)。
由于长期以来的排放制度不成熟和管理松懈，我国水体污染已十分严重。根据国家环境滥测网对地表水环境质量的实际监测显示，2018年，我国水环境的质量总体上属于中度污染：Ⅰ-Ⅲ类，Ⅳ、Ⅴ类和劣Ⅴ类水环境质量结构比例为40％、32％和28％。在众多水体修复方法中，吸附法因其去除效率高、吸附速率快、成本低、可回收且对环境友好而得到广泛应用，是一种高效可行的水污染防治技术(姜娜.吸附法去除废水中重金属研究进展[J].江西化工,2014(01):81-83)。
综上，利用壳聚糖通过合理的改性制备的氮掺碳气凝胶材料应用于水体修复具有良好的研究价值和应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改性氮掺碳气凝胶的制备方法并提供应用参考。该方法可制备出比表面积高，吸附性能良好的碳气凝胶材料。
为实现上述目的，本发明采用的制备方案有两种。
制备方案一：改性氮掺碳气凝胶的制备方法是按照下述步骤进行的：
一、将壳聚糖粉末溶于体积分数为1％～3％的醋酸溶液中，用搅拌器搅拌均匀后分装至培养皿内，样品厚度为3mm～7mm；
二、将步骤一中样品放入冰箱冷冻成型后，置于冷冻干燥机中24h，得到壳聚糖气凝胶；
三、将步骤二中样品置于氮气气氛下的管式炉中，以10℃/min的速度升至400℃，保温1～3个小时，随后自然冷却至室温；
四、将步骤三中的样品放入10g/L～100g/L的KOH溶液中浸渍24h后过滤干燥，随后置于氮气气氛下的管式炉中，以10℃/min的速度升至500℃～800℃，保温1～3个小时，随后自然冷却至室温；
五、将步骤四处理完的样品用去离子水冲洗过滤至中性，干燥后即得到目标材料。
优选地，步骤一中的醋酸体积分数为2％；
优选地，步骤三中的保温时间为1h；
优选地，步骤四中的温度升至700℃；
优选地，步骤四中的保温时间为1h。
制备方案二：改性氮掺碳气凝胶的制备方法是按照下述步骤进行的：
六、将壳聚糖粉末溶于体积分数为1％～3％的醋酸溶液中，用搅拌器搅拌均匀后于室温静置6h至样品中无明显气泡，随后分装至培养皿内，样品厚度为3mm～7mm；
七、将步骤一中样品放入冰箱冷冻成型后，置于冷冻干燥机中24h，得到壳聚糖气凝胶；
八、将步骤二中样品置于氮气气氛下的管式炉中，以10℃/min的速度升至400℃，保温1～3个小时，随后自然冷却至室温；
九、将步骤三中的样品与与氢氧化钾(分析纯)以1:1至5:1的比率放入研磨机中研磨混合均匀后，置于氮气气氛下的管式炉中，以10℃/min的速度升至500℃～800℃，保温1～3个小时，随后自然冷却至室温；
十、将步骤四处理完的样品用去离子水冲洗过滤至中性，干燥后即得到目标材料。
优选地，步骤一中的醋酸体积分数为2％；
优选地，步骤三中的保温时间为1h；
优选地，步骤四中的样品与氢氧化钾的比例为3:1；
优选地，步骤四中的温度升至700℃；
优选地，步骤四中的保温时间为1h。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、原材料使用天然储量大、价格低廉、环境友好的壳聚糖作为主原材料；
2、通过溶解于醋酸使其交联、冷冻干燥、高温碳化、KOH高温活化的手段，充分的增加了壳聚糖的比表面积，增加了其传质效率，同时对其表面官能团进行了修饰，丰富了其吸附方式，增加了潜在的应用范围。
本发明还提供上述改性氮掺碳气凝胶在水处理中作吸附剂的应用。将本发明制备的碳气凝胶应用于吸附水中孔雀石绿，表现出优异的吸附性能：在100mL的2000mg/L中加入0.1g方案二中制备的碳气凝胶，0.5h时的吸附量即可达到316.4mg/g，吸附24h后的溶液中残留孔雀石绿浓度仅0.038mg/L，吸附量约为1000mg/g，去除率超过99.9％。
附图说明
图1为改性壳聚糖碳气凝胶吸附剂的制备流程图。
图2为制备方案二所制备材料对孔雀石绿的吸附时间与吸附量以及去除率的关系曲线。
图3为制备方案二所制备材料对孔雀石绿的溶液浓度与吸附量以及去除率的关系曲线。
图4为仅高温活化的壳聚糖粉末材料的SEM图谱。
图5为制备方案二所制备材料的SEM图谱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1：
一、将2g壳聚糖粉末溶于体积分数为1％的醋酸溶液中，用搅拌器搅拌均匀后于室温静置6h至样品中无明显气泡，随后分装至培养皿内，样品厚度约为5mm；
二、将步骤一中样品放入冰箱冷冻成型后，置于冷冻干燥机中24h，得到壳聚糖干凝胶；
三、将步骤二中样品置于氮气气氛下的管式炉中，以10℃/min的速度升至400℃，保温1个小时，随后自然冷却至室温；
四、将步骤三中放入100g/L的KOH溶液中浸渍24h后过滤干燥，随后置于氮气气氛下的管式炉中，以10℃/min的速度升至700℃，保温1个小时，自然冷却至室温；
五、将步骤四处理完的样品用去离子水冲洗过滤至中性，干燥后即得到相应改性碳气凝胶。
实施例2：
一、将壳聚糖粉末溶于体积分数为2％的醋酸溶液中，用搅拌器搅拌均匀后于室温静置6h至样品中无明显气泡，随后分装至培养皿内，样品厚度约为5mm；
二、将步骤一中样品放入冰箱冷冻成型后，置于冷冻干燥机中24h，得到壳聚糖干凝胶；
三、将步骤二中样品置于氮气气氛下的管式炉中，以10℃/min的速度升至400℃，保温1个小时，随后自然冷却至室温；
四、将步骤三中的样品与与氢氧化钾(分析纯)以3:1的比率放入研磨机中研磨混合均匀后，置于氮气气氛下的管式炉中，以10℃/min的速度升至700℃，保温1个小时，随后自然冷却至室温；
五、将步骤四处理完的样品用去离子水冲洗过滤至中性，干燥后即得到目标材料。
六、向50mL的400mg/L孔雀石绿溶液中投加0.1g步骤三所得样品，放入恒温25℃、转速150r/min的培养箱中震荡，吸附一定时间后，取其上清液于紫外分光光度计中测得616.9nm下的吸光度，对比标准曲线，从而得到溶液中的孔雀石绿浓度。0.5h时，改性壳聚糖碳气凝胶吸附剂对孔雀石绿的吸附量迅速达到了316.4mg\g；4h时吸附量达到966.5mg/g；24h时溶液中孔雀石绿浓度仅为0.038mg/L，出去率超过了99.99％，吸附曲线见图2。
实施例3：
一、将壳聚糖粉末溶于体积分数为2％的醋酸溶液中，用搅拌器搅拌均匀后于室温静置6h至样品中无明显气泡，随后分装至培养皿内，样品厚度约为5mm；
二、将步骤一中样品放入冰箱冷冻成型后，置于冷冻干燥机中24h，得到壳聚糖干凝胶；
三、将步骤二中样品置于氮气气氛下的管式炉中，以10℃/min的速度升至700℃，保温1个小时，自然冷却至室温；
四、将步骤三中的样品与与氢氧化钾(分析纯)以3:1的比率放入研磨机中研磨混合均匀后，置于氮气气氛下的管式炉中，以10℃/min的速度升至700℃，保温1个小时；
五、分别向向50mL的400mg/L、800mg/L、1200mg/L、1600mg/L、2000mg/L的孔雀石绿溶液中投加0.1g步骤三所得样品，放入恒温25℃、转速150r/min的培养箱中震荡，吸附4h时间后，取其上清液于紫外分光光度计中测得616.9nm下的吸光度，对比标准曲线，绘制曲线。结果如图3所示，改性壳聚糖碳气凝胶吸附剂对孔雀石绿的吸附量随溶液的浓度增加而增加，且4h去除率已高于96％，说明制备方案二制备的改性壳聚糖碳气凝胶吸附剂在本实验中对孔雀石绿还未达到最大值。
实施例5：
利用电子显微镜对仅高温碳化壳聚糖粉末和实施例3中制备的改性壳聚糖碳气凝胶分别进行电镜扫描，观察其微观结构，结果如图4和图5所示。仅高温碳化壳聚糖粉末表面层状结构明显，有较大的片层间间隙，且表面伴有大量沟壑状构造和气泡状凸起，以及小孔；实施例3中按照制备方案二制备的改性氮掺碳气凝胶表面如海绵状，没有明显片状结构，表面均匀的分布着密集的直径约5nm的小孔。

Claims (7)

1.一种改性氮掺碳气凝胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，将壳聚糖粉末溶于醋酸溶液中，用搅拌器搅拌均匀后分装至培养皿内；
步骤二，将步骤1中样品放入冰箱冷冻成型后，置于冷冻干燥机得到对应干凝胶材料；
步骤三，将步骤2中样品置于氮气气氛下的管式炉中预碳化后自然冷却至室温；
步骤四，将步骤3中的样品与放入高浓度KOH溶液中浸渍后过滤烘干，随后置于氮气气氛下的管式炉中高温碳化并保温后，自然冷却至室温；
步骤五，将步骤4的样品用去离子水冲洗过滤至中性后干燥。
2.根据权利要求1所述的改性壳聚糖碳气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤一中醋酸溶液浓度为1％～3％。
3.根据权利要求1所述的改性壳聚糖碳气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤三中碳化温度为300℃～500℃。
4.根据权利要求1所述的改性壳聚糖碳气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤四中KOH浓度为10g/L～100g/L。
5.根据权利要求1所述的改性壳聚糖碳气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤四中碳化温度为500～800℃。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法制备得到的改性氮掺碳气凝胶材料。
7.根据权利要求6中制备的改性氮掺炭气凝胶材料在水溶液中作吸附剂的应用。
CN202010216426.6A 2020-03-25 2020-03-25 一种改性氮掺碳气凝胶的制备方法 Pending CN111389358A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010216426.6A CN111389358A (zh) 2020-03-25 2020-03-25 一种改性氮掺碳气凝胶的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010216426.6A CN111389358A (zh) 2020-03-25 2020-03-25 一种改性氮掺碳气凝胶的制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111389358A true CN111389358A (zh) 2020-07-10

Family

ID=71417362

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010216426.6A Pending CN111389358A (zh) 2020-03-25 2020-03-25 一种改性氮掺碳气凝胶的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111389358A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112661154A (zh) * 2020-12-11 2021-04-16 河北工业大学 一种含石墨烯的高吸附性植物蛋白质碳气凝胶的制备方法
CN112794307A (zh) * 2021-01-26 2021-05-14 南京捷纳思新材料有限公司 一种双层整体式光热转化材料的制备方法
CN113086965A (zh) * 2021-03-31 2021-07-09 浙江大学 一种壳聚糖基氮掺杂碳气凝胶吸波材料及其制备方法
CN115634679A (zh) * 2022-09-23 2023-01-24 长沙学院 具有多孔结构和高比表面积的壳聚糖基生物炭及其制备方法和应用

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112661154A (zh) * 2020-12-11 2021-04-16 河北工业大学 一种含石墨烯的高吸附性植物蛋白质碳气凝胶的制备方法
CN112661154B (zh) * 2020-12-11 2023-03-10 河北工业大学 一种含石墨烯的高吸附性植物蛋白质碳气凝胶的制备方法
CN112794307A (zh) * 2021-01-26 2021-05-14 南京捷纳思新材料有限公司 一种双层整体式光热转化材料的制备方法
CN113086965A (zh) * 2021-03-31 2021-07-09 浙江大学 一种壳聚糖基氮掺杂碳气凝胶吸波材料及其制备方法
CN115634679A (zh) * 2022-09-23 2023-01-24 长沙学院 具有多孔结构和高比表面积的壳聚糖基生物炭及其制备方法和应用
CN115634679B (zh) * 2022-09-23 2024-03-08 长沙学院 具有多孔结构和高比表面积的壳聚糖基生物炭及其制备方法和应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111389358A (zh) 一种改性氮掺碳气凝胶的制备方法
CN109516457B (zh) 一种壳聚糖基多孔碳球及其制备方法
CN110746657B (zh) 一种复合生物质气凝胶光热转换材料的制备方法及其应用
CN104609394A (zh) 一种生物质纳米纤维素碳气凝胶的制备方法
CN107555430B (zh) 一种超级电容器用松针基活性炭及其一步炭化制备方法
CN111115629A (zh) 一种基于废弃烟杆的高比表面积碳材料及其制备方法与应用
CN107572497A (zh) 氮掺杂等级孔碳材料的制备方法
CN1944246A (zh) 活性芦竹炭的炭化及造孔制备方法
CN107601673B (zh) 一种用于废水处理的微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统
CN112121766A (zh) 一种苎麻纤维基生物炭及其制备方法和应用
CN112452306A (zh) 一种用于吸附水中铅离子的改性聚丙烯腈纤维膜
CN110699849A (zh) 一种水处理用凹凸棒纳米纤维膜及其制备方法
CN114572980B (zh) 一种多孔活性炭材料及其制备方法与应用
CN114408920A (zh) 一种利用废弃膜材料制备孔径可调控活性炭的固体废物资源化方法及其产品
CN111137890A (zh) 一种生物质多级孔纳米环微结构碳基超级电容器电极材料的制备方法
CN110835108A (zh) 一种微尺度下同步模板活化法制备多功能炭材料的方法
CN109482146B (zh) 一种改性污泥活性炭重金属吸附材料的制备方法
CN109282513B (zh) 凹凸棒基光热转化膜及其制备方法和应用
CN113083249A (zh) 一种再生细菌纤维素复合气凝胶吸附材料的制备及应用
CN115784197B (zh) 一种改性生物质碳气凝胶的制备方法及其产品和应用
CN113184848A (zh) 一种基于柚子皮制备超级电容器用生物质多孔碳的方法
CN110180510B (zh) 一种减缓水库“翻库”现象的纳米薄膜及装置
CN112479205A (zh) 一种窄孔径竹箨活性炭及其制备方法
CN108878829B (zh) 一种废弃硅藻土制备的锂硫电池正极材料及其制备方法
CN114956040B (zh) 一种氮氧掺杂分级多孔碳材料、制备方法及应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20200710

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication