CN111450802A - 一种制备碳基功能材料的方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种制备碳基功能材料的方法及其应用，包括以下步骤：S1：粉碎油茶果壳后，加入1.5～2.0mol/L NH4HCO3，搅拌溶胀1～2h，再以1.0～1.5MPa、180～220℃蒸汽爆破混合料3～4次，每次保压5～8min；S2：按1.8～3.0g/ml固液比将汽爆后油茶果壳粉加入混合金属盐溶液中，超声浸渍1～1.5h，再滴加饱和氨水溶液充分反应，过滤后，N2保护下，350～500℃碳化2～6h，再于650～800℃活化1～2h；S3：碳材料的氧化；S4：碳材料的氨基化：按1g：(0.01～0.04)g：(1.5～2)ml：(0.5～0.8)ml的比例将氧化后碳材料、催化剂、三亚乙基四胺、聚乙烯亚胺分散均匀后，100～150℃搅拌反应12～24h。本发明方法大大提高生物碳材料表面活性基团的数量，显著提高碳基功能材料对重金属离子的去除效果及有机污染物的降解能力。

Description

一种制备碳基功能材料的方法及其应用
技术领域
本发明属于生物质资源化利用技术领域，还属于功能碳材料制备技术领域，具体涉及一种制备碳基功能材料的方法及其应用。
背景技术
生物炭是一种由生物质废料加工而成的多孔碳材料，如动物粪便、农作物秸秆、植物根茎、木屑、果壳、糠醛渣等，具有原料来源广、比表面积大、孔隙率高、热稳定性好、变废为宝等优点，对于生物碳基材料的开发与应用也是近年来的研究热点之一。目前，生物碳基材料主要利用其多孔性质使其具有较强的吸脱附性能，但表面活性基团数量较少，催化活性不高，无法实现对有机污染物的催化降解，对污水中重金属离子的吸附效果也较差。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种制备碳基功能材料的方法及其应用。
本发明的技术方案概述如下：
一种制备碳基功能材料的方法，包括以下步骤：
S1：碳源的蒸汽爆处理：粉碎油茶果壳后，按1.0～1.2g/ml固液比加入1.5～2.0mol/L NH4HCO3溶液，搅拌溶胀1～2h，再以1.0～1.5MPa、180～220℃蒸汽爆破混合料3～4次，每次保压5～8min，过滤、干燥后，得汽爆后油茶果壳粉；
S2：制备纳米金属氧化物/生物碳材料：按1.8～3.0g/ml固液比将汽爆后油茶果壳粉加入混合金属盐溶液中，超声浸渍1～1.5h，再滴加饱和氨水溶液，搅拌反应至不再产生沉淀物时停止滴加氨水，过滤去除滤液后，于N2保护下，350～500℃碳化2～6h，再升温至650～800℃活化1～2h，得纳米金属氧化物/生物碳复合材料；
所述混合金属盐溶液包括以下浓度组分：Fe(NO3)3 0.02～0.1mol/L、Ni(NO3)20.01～0.05mol/L、TiCl4 0.05～0.2mol/L、Zn(NO3)2 0.01～0.05mol/L；
S3：碳材料的氧化：按1.0～1.2g/ml固液比将S2所得碳复合材料加入4.0～6.0mol/L H2O2溶液中，搅拌氧化1～3h，过滤、洗涤、干燥后，得氧化后碳材料；
S4：碳材料的氨基化：按1g：(0.01～0.04)g：(1.5～2)ml：(0.5～0.8)ml的比例将氧化后碳材料、催化剂、三亚乙基四胺、聚乙烯亚胺分散均匀后，100～150℃搅拌反应12～24h，过滤、洗涤、干燥后，即得所述碳基功能材料。
优选的是，所述油茶果壳的粉碎粒度为150～200目。
优选的是，所述催化剂为二环己基碳二亚胺。
优选的是，所述聚乙烯亚胺聚合度为120～200。
本发明还提供所述碳基功能材料在空气净化中的应用。
本发明还提供所述碳基功能材料在污水处理中的应用。
本发明的有益效果：
1、本发明采用NH4HCO3溶液浸渍与蒸汽爆破技术协同预处理油茶果壳粉，再一步法合成纳米金属氧化物/生物碳材料，赋予其优良的催化活性，并对其进一步氧化，使生物碳材料表面含有大量羧基、羟基、内酯、酸酐等氧化官能团，进而能够与三亚乙基四胺、聚乙烯亚胺发生化学交联反应，实现对生物碳材料的氨基化改性，大大提高生物碳材料表面活性基团的数量，利用活性基团的静电吸附和离子交换功能对污水中重金属离子进行络合，显著提高碳基功能材料对重金属离子的去除效果。
2、本发明采用NH4HCO3溶液浸渍与蒸汽爆破技术协同预处理油茶果壳粉，破坏生物质中纤维素长链和木质素结构，提高油茶果壳粉的比表面积和孔隙率，利用NH4HCO3溶液充分溶胀果壳纤维，再利用NH4HCO3的高温热分解性质与高压热蒸汽分子的瞬间爆破效应协同膨胀油茶果壳内部纤维孔隙，进而提高油茶果壳粉比表面积和负载能力，为金属离子的吸附及纳米金属氧化物的担载奠定基础。
3、本发明将纳米材料的热解过程与油茶果壳粉碳化活化过程合二为一，实现一步法合成纳米金属氧化物/生物碳材料，相比于传统先制备生物炭再负载纳米金属氧化物的方法，大大降低能耗，程序更简约优化，同时，本发明实现纳米Fe2O3、纳米NiO、纳米TiO2、纳米ZnO2在生物碳材料上的同时负载，相比于单一光催化剂，催化效率更高，可用于多种有机污染物的降解，适用范围更广泛。
4、本发明实现了油茶果壳的资源化利用，低污染、零排放，提高油茶果壳附加值和利用价值。
附图说明
图1为本发明制备碳基功能材料的方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
实施例1
一种制备碳基功能材料的方法，包括以下步骤：
S1：碳源的蒸汽爆处理：粉碎油茶果壳至150目后，按1.0g/ml固液比加入1.5mol/LNH4HCO3溶液，搅拌溶胀1h，再以1.0MPa、180℃蒸汽爆破混合料3次，每次保压5min，过滤、干燥后，得汽爆后油茶果壳粉；
S2：制备纳米金属氧化物/生物碳材料：按1.8g/ml固液比将汽爆后油茶果壳粉加入混合金属盐溶液中，超声浸渍1h，再滴加饱和氨水溶液，搅拌反应至不再产生沉淀物时停止滴加氨水，过滤去除滤液后，于N2保护下，350℃碳化2h，再升温至650℃活化1h，得纳米金属氧化物/生物碳复合材料；
所述混合金属盐溶液包括以下浓度组分：Fe(NO3)3 0.02mol/L、Ni(NO3)20.01mol/L、TiCl4 0.05mol/L、Zn(NO3)2 0.01mol/L；
S3：碳材料的氧化：按1.0g/ml固液比将S2所得碳复合材料加入4.0mol/L H2O2溶液中，搅拌氧化3h，过滤、洗涤、干燥后，得氧化后碳材料；
S4：碳材料的氨基化：按1g：0.01g：1.5ml：0.5ml的比例将氧化后碳材料、二环己基碳二亚胺、三亚乙基四胺、聚合度为150的聚乙烯亚胺分散均匀后，100℃搅拌反应12h，过滤、洗涤、干燥后，即得所述碳基功能材料。
实施例2
一种制备碳基功能材料的方法，包括以下步骤：
S1：碳源的蒸汽爆处理：粉碎油茶果壳至200目后，按1.2g/ml固液比加入2.0mol/LNH4HCO3溶液，搅拌溶胀2h，再以1.5MPa、220℃蒸汽爆破混合料4次，每次保压8min，过滤、干燥后，得汽爆后油茶果壳粉；
S2：制备纳米金属氧化物/生物碳材料：按3.0g/ml固液比将汽爆后油茶果壳粉加入混合金属盐溶液中，超声浸渍1.5h，再滴加饱和氨水溶液，搅拌反应至不再产生沉淀物时停止滴加氨水，过滤去除滤液后，于N2保护下，500℃碳化6h，再升温至800℃活化2h，得纳米金属氧化物/生物碳复合材料；
所述混合金属盐溶液包括以下浓度组分：Fe(NO3)3 0.1mol/L、Ni(NO3)2 0.05mol/L、TiCl4 0.2mol/L、Zn(NO3)2 0.05mol/L；
S3：碳材料的氧化：按1.2g/ml固液比将S2所得碳复合材料加入6.0mol/L H2O2溶液中，搅拌氧化3h，过滤、洗涤、干燥后，得氧化后碳材料；
S4：碳材料的氨基化：按1g：0.04g：2ml：0.8ml的比例将氧化后碳材料、二环己基碳二亚胺、三亚乙基四胺、聚合度为150的聚乙烯亚胺分散均匀后，150℃搅拌反应24h，过滤、洗涤、干燥后，即得所述碳基功能材料。
对比例1：制备方法同实施例1，区别在于：无S1碳源的蒸汽爆处理步骤。
对比例2：制备方法同实施例1，区别在于：无S3氧化、S4氨基化改性步骤。
验证试验1检测实施例1～2、对比例1～2制备出的碳基功能材料的空气净化性能
在同一片工业区设置四个2m×2m×2m等体积密闭空间，分别对空气中有害成分含量进行检测，得到M1，并对应施撒实施例1-2、对比例1-2制备出的碳基功能材料，施撒量均为100g，48h后，再次检测空气中有害成分含量，得到M2，并按照公式[(M1-M2)/M1]×100％计算出各有害成分的降解率，结果如表1所示：
表1
Figure BDA0002506811790000061
Figure BDA0002506811790000071
由表1可知，采用本发明制备的碳基功能材料处理污染空气48h后，空气中的有害污染物含量得到明显降低，如PM2.5、甲醛、氮氧化物、硫化物、苯系物、一氧化碳等，可应用于空气净化领域。
验证试验2检测实施例1～2、对比例1～2制备出的碳基功能材料的对污水中重金属离子的吸附性能
配制浓度为50mg/L Cd2+或Cu2+或Pb2+或Co2+模拟工业废水，量取4组100ml废水溶液后，对应加入0.2g实施例1-2、对比例1-2制备出的碳基功能材料，振荡处理24h，吸附达到平衡时，取上清液测定剩余Cd2+或Cu2+或Pb2+或Co2+浓度，计算饱和吸附量，结果如表2所示：
表2
Figure BDA0002506811790000072
Figure BDA0002506811790000081
由表2可知，本发明制备的碳基功能材料对污水中的重金属离子具有极强的吸附性能，可应用于污水处理领域。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (6)

1.一种制备碳基功能材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：碳源的蒸汽爆处理：粉碎油茶果壳后，按1.0～1.2g/ml固液比加入1.5～2.0mol/LNH4HCO3溶液，搅拌溶胀1～2h，再以1.0～1.5MPa、180～220℃蒸汽爆破混合料3～4次，每次保压5～8min，过滤、干燥后，得汽爆后油茶果壳粉；
S2：制备纳米金属氧化物/生物碳材料：按1.8～3.0g/ml固液比将汽爆后油茶果壳粉加入混合金属盐溶液中，超声浸渍1～1.5h，再滴加饱和氨水溶液，搅拌反应至不再产生沉淀物时停止滴加氨水，过滤去除滤液后，于N2保护下，350～500℃碳化2～6h，再升温至650～800℃活化1～2h，得纳米金属氧化物/生物碳复合材料；
所述混合金属盐溶液包括以下浓度组分：Fe(NO3)3 0.02～0.1mol/L、Ni(NO3)2 0.01～0.05mol/L、TiCl4 0.05～0.2mol/L、Zn(NO3)2 0.01～0.05mol/L；
S3：碳材料的氧化：按1.0～1.2g/ml固液比将S2所得碳复合材料加入4.0～6.0mol/LH2O2溶液中，搅拌氧化1～3h，过滤、洗涤、干燥后，得氧化后碳材料；
S4：碳材料的氨基化：按1g：(0.01～0.04)g：(1.5～2)ml：(0.5～0.8)ml的比例将氧化后碳材料、催化剂、三亚乙基四胺、聚乙烯亚胺分散均匀后，100～150℃搅拌反应12～24h，过滤、洗涤、干燥后，即得所述碳基功能材料。
2.根据权利要求1所述一种制备碳基功能材料的方法，其特征在于，所述油茶果壳的粉碎粒度为150～200目。
3.根据权利要求1所述一种制备碳基功能材料的方法，其特征在于，所述催化剂为二环己基碳二亚胺。
4.根据权利要求1所述一种制备碳基功能材料的方法，其特征在于，所述聚乙烯亚胺聚合度为120～200。
5.如权利要求1～4任意一项所述碳基功能材料在空气净化中的应用。
6.如权利要求1～4任意一项所述碳基功能材料在污水处理中的应用。
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