CN112938969A - 一种造孔/掺杂一体化的活化剂制备氮硫共掺杂活性炭的方法及其应用 - Google Patents

一种造孔/掺杂一体化的活化剂制备氮硫共掺杂活性炭的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种造孔/掺杂一体化的活化剂制备氮硫共掺杂活性炭的方法及其应用；将原料与造孔与掺杂一体化活化剂在水溶液中进行混合振荡，再经干燥之后，将混合物置于管式炉中，在惰性气体氛围下热解，固体产物经酸洗水洗，得到氮硫共掺杂活性炭材料。或将原料与一体化活化剂和碱金属活化剂在水溶液中进行混合振荡，再经干燥之后，将混合物置于管式炉中，在惰性气体氛围下热解，固体产物经酸洗水洗，得到孔结构更加发达的氮硫共掺杂活性炭材料。所得材料用于水中有机物吸附，重金属去除和甲烷气体存储。本发明方法简单，且具有低碳足迹的优点，应用于环境修复材料和储能材料，实现了其无害化处置和高附加值资源化利用，兼具良好的环境和经济效益。

Description

一种造孔/掺杂一体化的活化剂制备氮硫共掺杂活性炭的方 法及其应用
技术领域
本发明属于氮硫掺杂活性炭制备与生物质资源化利用领域，具体涉及一种造孔/掺杂一体化的活化剂制备氮硫共掺杂活性炭的方法及其应用。
背景技术
生物质基活性炭材料具有较大的比表面积，在能源储存或环境修复领域具有巨大的前景。其中，生物炭中的杂原子（N，S）能够改变炭材料表面的电荷分布，进而改善活性炭材料的性能，提高其对有机污染物、重金属离子、气体分子的吸附性能。
由于大多数生物质中的杂原子含量较低，无法进行原位掺杂。只能通过添加大量的有机掺杂剂（如：三聚氰胺，尿素和硫脲等）将杂原子引入到生物质基炭材料中。目前，活化剂和掺杂剂之间的共活化反应能促使活性炭材料既具有较发达的孔隙结构，也拥有较高的杂原子含量。然而，这种工艺比较复杂且成本较高。不仅如此，这些有机掺杂剂具有低沸点，高碳含量的特点，在生物质热解过程中极易挥发，导致了较低的掺杂效率和高的碳足迹，也需要较高的投资和能耗。
因此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是开发一种全新的低碳足迹的造孔与掺杂一体化活化剂，用于生物质的热活化，摒弃传统的有机掺杂剂，以低成本制备出高性能的氮硫共掺杂活性炭材料，并用于污染物去除及气体存储。
发明内容
本发明的目的在于提出一种造孔/掺杂一体化的活化剂制备氮硫共掺杂活性炭的方法及其应用，本发明所得材料应用于吸附材料，具体是指吸附水中有机物、重金属及用于甲烷气体的储存。
本发明提出一种造孔/掺杂一体化的活化剂制备氮硫共掺杂活性炭的方法，所述方法如下之任一种，具体步骤如下：
将生物质与一体化活化剂按比例在水溶液中进行混合振荡8~24小时，得到混合物；干燥后将得到的混合物放入瓷舟内，置于管式炉中，在惰性气体氛围下进行热解，所述热解温度为300~1000℃，并维持1~4小时，气体流量为0.1~1.0 L/min；热解反应后，将所得产物冷却至室温后，取出，并利用酸洗和水洗，得到氮硫共掺杂活性炭材料；生物质与一体化活化剂的质量比为1：（0.1 ~ 5）；
或者：为了进一步促进氮硫共掺杂活性炭材料孔隙结构的发展，将生物质与一体化活化剂和碱金属活化剂按比例在水溶液中进行混合振荡8~24小时，得到混合物；干燥后将得到的混合物放入瓷舟内，置于管式炉中，在惰性气体氛围下进行热解，所述热解温度为300~1000℃，并维持1~4小时，气体流量为0.1~1.0 L/min；热解反应后，将所得产物冷却至室温后，取出，并利用酸洗和水洗，得到氮硫共掺杂活性炭材料；其中：生物质、一体化活化剂和碱金属活化剂的质量比为1：（0.1~5）：（0.1~5）。
本发明中，生物质主要包括：锯末、玉米秸秆、餐厨垃圾、柚子皮、竹子、小麦秸秆、大豆秸秆或细菌纤维素等中任一种。
本发明中，造孔与掺杂一体化的活化剂包括KSCN、NaSCN、Fe(SCN)3、Zn(SCN)2、Ca(SCN)2、Mg(SCN)2或它们的混合物。
本发明中，碱金属活化剂要包括NaOH、Na2CO3、Na2C2O4、KOH、K2CO3、K2C2O4或它们之间的混合物。
利用本发明制备方法得到的氮硫共掺杂活性炭材料主要应用为吸附材料，具体是指吸附水中有机物（双酚A、四环素、三氯生或孔雀石绿）、重金属（铅）及用于甲烷气体的储存。
本发明的原理是：生物质与硫氰酸盐在惰性气氛保护下进行高温热解活化过程中，主要通过氧置换反应和自分解反应调控氮硫共掺杂活性炭材料的孔隙结构和N、S含量。由于生物质中的O元素被置换，而形成大量的微孔结构。
利用硫氰酸盐和碱金属活化剂之间的协同活化反应，进一步提升炭材料的孔隙结构。因此，采用一体化活化剂热诱导生物质活化过程具有低碳足迹，能耗低等特点，且制备的氮硫共掺杂活性炭材料比表面积高、孔隙结构发达，应用于净水和甲烷储存领域，均能表现出优异的性能。
本发明的有益效果在于：摒弃了传统高碳足迹的有机掺杂剂，利用一种造孔与掺杂一体化的活化剂热诱导废弃生物质以低碳足迹制备出高性能的氮硫共掺杂活性炭，能满足孔隙结构和杂原子同时存在于活性炭材料中。所制备的氮硫共掺杂活性炭材料具有超高比表面积（577~2659 m2/g），发达的孔隙结构（总孔体积为0.37~1.28 cm3/g），且富含氮元素（氮含量为0.10~ 6.22％）和硫元素（硫含量为0.26~10.9％），用于净水（有机物吸附和重金属去除）和甲烷储存领域均能表现出优异的性能。
附图说明
图1：本发明实施例1制备的氮硫共掺杂活性炭材料的孔径分布图和氮气吸脱附图。
图2：本发明实施例1制备的氮硫共掺杂活性炭材料及常规活性炭材料和常规氮硫共掺杂活性炭材料用于水中有机物吸附，重金属去除。
图3：本发明实施例1制备的氮硫共掺杂活性炭材料用于甲烷气体存储。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例和对比例对本发明优选实施方案进行描述，但是这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。此外，按照本领域技术人员熟知的方法制备了常规活性炭材料和常规氮硫共掺杂活性炭材料用于对比。
实施例1
以锯末为例，生物质原料与KSCN质量比为1:1进行称取，并在水溶液中振荡12小时；干燥后，将所得的混合物放入瓷舟内，置于管式炉中，在流速为0.1 L/min的N2气氛下以10℃/min的升温速率升至700℃，并维持1小时。所得炭化产物用2 mol/L 盐酸和水进行洗涤，即可得氮硫共掺杂活性炭（NS-1）。氮气吸脱附等温线表明CN-S1的比表面积为1906 m2/g，总孔体积为1.28cm3/g；元素分析测定结果表明该材料的氮含量为5.91％，硫含量为8.42％。上述材料对水中双酚A的最高吸附容量可达到488mg/g，对水中孔雀石绿的最高吸附容量可达到2488mg/g，对水中三氯生的最高吸附容量可达到978mg/g，对水中四环素的最高吸附容量可达到508 mg/g，对水中铅离子的最高吸附容量可达到175mg/g，对甲烷的储存量可达到8.72mmol/g。
实施例2
以锯末为例，生物质原料与KSCN质量比为2:3进行称取，并在水溶液中振荡12小时；干燥后，将所得的混合物放入瓷舟内，置于管式炉中，在流速为0.1 L/min的N2气氛下以10℃ /min的升温速率升至500℃，并维持1小时。所得炭化产物用2 mol/L 盐酸和水进行洗涤，即可得到氮硫共掺杂活性炭（NS-2）。氮气吸脱附等温线表明CN-S2的比表面积为704m2/g，总孔体积为0.64 cm3/g；元素分析测定结果表明该材料的氮含量为5.57％，硫含量为17.0％。上述材料对水中双酚A的最高吸附容量可达到168mg/g，对水中铅离子的最高吸附容量可达到340 mg/g。
实施例3
以锯末为例，生物质原料和KSCN和K2CO3质量比为1:0.6:1.4进行称取，并在水溶液中振荡12小时；干燥后，将所得的混合物放入瓷舟内，置于管式炉中，在流速为0.1 L/min的N2气氛下以10℃ /min的升温速率升至700℃，并维持1小时。所得炭化产物用2 mol/L 盐酸和水进行洗涤，即可得到氮硫共掺杂活性炭（NS-3）。氮气吸脱附等温线表明CN-S5的比表面积为2659m2/g，总孔体积为1.25cm3/g；元素分析测定结果表明该材料的氮含量为2.55％，硫含量为4.75％。上述材料对水中双酚A的最高吸附容量可达到730 mg/g，对水中铅离子的最高吸附容量可达到175 mg/g, 对甲烷的储存量可达到9.12 mmol/g。
对比例1
以锯末为例，生物质原料，K2CO3质量比为1:1进行称取，并在水溶液中振荡12小时；干燥后，将所得的混合物放入瓷舟内，置于管式炉中，在流速为0.1 L/min的N2气氛下以10℃ /min的升温速率升至700℃，并维持1小时。所得炭化产物用2 mol/L 盐酸和水进行洗涤，即可得到常规活性炭材料（AC）。氮气吸脱附等温线表明AC的比表面积为1288 m2/g，总孔体积为0.69 cm3/g。上述材料对水中双酚A的最高吸附容量可达到284mg/g，对水中铅离子的最高吸附容量可达到30 mg/g。
对比例2
以锯末为例，生物质原料和K2CO3和CH4N2S质量比为1:1:1进行称取，并在水溶液中振荡12小时；干燥后，将所得的混合物放入瓷舟内，置于管式炉中，在流速为0.1 L/min的N2气氛下以10℃ /min的升温速率升至700℃，并维持1小时。所得炭化产物用2 mol/L 盐酸和水进行洗涤，即可得到常规氮硫共掺杂活性炭材料（NSC）。氮气吸脱附等温线表明NSC的比表面积为798 m2/g，总孔体积为0.51 cm3/g；元素分析测定结果表明该材料的氮含量为2.94％，硫含量为3.40％。上述材料对水中双酚A的最高吸附容量可达到198mg/g，对水中铅离子的最高吸附容量可达到21 mg/g。

Claims (5)

1.一种造孔/掺杂一体化的活化剂制备氮硫共掺杂活性炭的方法，所述方法如下之任一种，其特征在于具体步骤如下：
将生物质与一体化活化剂按比例在水溶液中进行混合振荡8~24小时，得到混合物；干燥后将得到的混合物放入瓷舟内，置于管式炉中，在惰性气体氛围下进行热解，所述热解温度为300~1000℃，并维持1~4小时，气体流量为0.1~1.0 L/min；热解反应后，将所得产物冷却至室温后，取出，并利用酸洗和水洗，得到氮硫共掺杂活性炭材料；生物质与一体化活化剂的质量比为1：（0.1 ~ 5）；
或者：为了进一步促进氮硫共掺杂活性炭材料孔隙结构的发展，将生物质与一体化活化剂和碱金属活化剂按比例在水溶液中进行混合振荡8~24小时，得到混合物；干燥后将得到的混合物放入瓷舟内，置于管式炉中，在惰性气体氛围下进行热解，所述热解温度为300~1000℃，并维持1~4小时，气体流量为0.1~1.0 L/min；热解反应后，将所得产物冷却至室温后，取出，并利用酸洗和水洗，得到氮硫共掺杂活性炭材料；其中：生物质、一体化活化剂和碱金属活化剂的质量比为1：（0.1~5）：（0.1~5）。
2.根据权利要求1所述的一种造孔/掺杂一体化的活化剂制备氮硫共掺杂活性炭的方法，其特征在于：生物质主要包括：锯末、玉米秸秆、餐厨垃圾、柚子皮、竹子、小麦秸秆、大豆秸秆或细菌纤维素中任一种。
3.根据权利要求1所述的一种造孔/掺杂一体化的活化剂制备氮硫共掺杂活性炭的方法，其特征在于：造孔与掺杂一体化的活化剂包括KSCN、NaSCN、Fe(SCN)3、Zn(SCN)2、Ca(SCN)2、Mg(SCN)2或它们的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种造孔/掺杂一体化的活化剂制备氮硫共掺杂活性炭的方法，其特征在于：碱金属活化剂要包括NaOH、Na2CO3、Na2C2O4、KOH、K2CO3、K2C2O4或它们之间的混合物。
5.一种如权利要求1所述方法得到的氮硫共掺杂活性炭材料的在吸附材料中的应用，其特征在于：具体是指吸附水中有机物、重金属及用于甲烷气体的储存，所述有机物为双酚A、四环素、三氯生或孔雀石绿中任一种，所述重金属为铅。
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