[發(fā)明專利]一種富氧官能團(tuán)碳/伊利石復(fù)合吸附劑材料及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610901558.6
• 申請(qǐng)日: 2016-10-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107042085A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-08-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭水林;王高鋒;王珊;孫文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）
• 主分類號(hào): B01J20/20
• 分類號(hào): B01J20/20;B01J20/30;C02F1/28;C02F101/30
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種富氧官能團(tuán)碳/伊利石復(fù)合吸附劑材料及其制備方法，屬于非金屬礦物材料與環(huán)境工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)

當(dāng)今社會(huì)，環(huán)境污染是人類面臨和亟需解決的重大挑戰(zhàn)。吸附法具有操作過(guò)程簡(jiǎn)便、處理能力大、運(yùn)行成本低和可以重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的環(huán)境污染治理技術(shù)。碳質(zhì)材料由于具有較大的比表面積、發(fā)達(dá)的空隙結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的吸附性能和較高的化學(xué)穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于水處理和空氣污染治理領(lǐng)域，是一種使用最廣泛的吸附劑材料。活性炭吸附材料可去除有機(jī)廢水中大部分有機(jī)物，生物需氧量BOD、化學(xué)需氧量COD一般可去除30％-60％，另外還可以有效去除某些重金屬離子。研究表明，活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)很大程度上由表面官能團(tuán)的類別和數(shù)量決定，活性炭表面最常見(jiàn)的官能團(tuán)是含氧官能團(tuán)，主要包括羧基、內(nèi)酯基、羰基和酚羥基等。表面含氧官能團(tuán)影響活性炭的表面反應(yīng)、表面行為、親(疏)水性、催化性質(zhì)和表面電荷等，從而影響活性炭的吸附行為。一般來(lái)說(shuō)，活性炭表面的含氧官能團(tuán)數(shù)量越多，其酸性位點(diǎn)越多，對(duì)污染物的吸附捕捉性能越好。但活性炭材料一般采用化學(xué)氣相沉積和高溫分解等方法制備，表面含氧官能團(tuán)數(shù)量較少。

為了提高碳質(zhì)材料表面含氧官能團(tuán)的數(shù)量，科研工作者采用了對(duì)碳質(zhì)材料表面進(jìn)行化學(xué)氧化改性方法，制備富氧官能團(tuán)碳質(zhì)材料。

文獻(xiàn)(1)活性炭表面官能團(tuán)的氧化改性及其吸附機(jī)理的研究(科學(xué)技術(shù)與工程，2012，24(12)：6133-6138)、(2)活性炭表面酸性含氧官能團(tuán)對(duì)吸附甲醛的影響(環(huán)境污染與防治，2010，32(3)：18-22)綜述了碳質(zhì)材料表面化學(xué)氧化改性方法，指出采用HNO₃、H₂O₂和O₃氧化改性是增加活性炭表面含氧官能團(tuán)的最常用方法。HNO₃氧化法采用體積分?jǐn)?shù)為10％-60％的HNO₃在303-363K溫度下振蕩反應(yīng)2h；然后靜置陳化24h；濾去浸漬液后放入干燥箱中在100℃下干燥活化2h；最后用去離子水洗滌至中性，在105℃下干燥制得。該制備方法經(jīng)歷硝酸氧化反應(yīng)、陳化、洗滌、活化、再洗滌、最后干燥等步驟，工藝流程復(fù)雜；采用高濃度的硝酸，在較高溫度下進(jìn)行反應(yīng)，操作環(huán)境不安全，工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，酸處理樣品需要用大量蒸餾水洗滌，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重；而且HNO₃的氧化性較強(qiáng)，一般會(huì)破壞活性炭的孔壁，造成微孔缺失，中孔和大孔增多，減小比表面積和孔容積，影響吸附效果。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)HNO₃體積分?jǐn)?shù)從10％增大到60％，羧基含量?jī)H從0.35mmol/g增大到1.81mmol/g，酚羥基含量?jī)H從0.26mmol/g增大到0.80mmol/g，內(nèi)酯基含量?jī)H從0.25mmol/g增大到0.57mmol/g。因此，HNO₃氧化法不僅工藝流程復(fù)雜，反應(yīng)條件苛刻，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，會(huì)破壞碳質(zhì)材料本身結(jié)構(gòu)特性，而且表面含氧官能團(tuán)數(shù)量增加不明顯。雖然H₂O₂和O₃氧化改性條件比較溫和，對(duì)活性炭孔隙結(jié)構(gòu)的影響較小，改性后孔結(jié)構(gòu)破壞微小，但改性樣品表面含氧官能團(tuán)數(shù)量增加較少。

伊利石是一種2:1層型的天然層狀硅酸鹽礦物，具有離子交換特性和吸附能力。針對(duì)上述富氧官能團(tuán)碳質(zhì)材料及其制備方法存在的不足，本發(fā)明申請(qǐng)?zhí)岢鲆环N富氧官能團(tuán)碳/伊利石復(fù)合吸附劑材料及其制備方法。即以伊利石為載體，可溶性糖類為碳源，首先通過(guò)水熱碳化法在伊利石片層表面均勻負(fù)載納米碳顆粒，然后再采用低溫?zé)崽幚矸▽?duì)水熱碳化產(chǎn)物進(jìn)行氧化改性，制備新型的富含含氧官能團(tuán)的碳質(zhì)復(fù)合吸附劑材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)方案是：以伊利石為載體，可溶性糖類為碳源，首先通過(guò)水熱碳化法在伊利石片層表面均勻負(fù)載納米碳顆粒，然后再采用低溫?zé)崽幚矸▽?duì)水熱碳化產(chǎn)物進(jìn)行氧化改性，從而制備出富氧官能團(tuán)碳/伊利石復(fù)合吸附劑材料。

用本發(fā)明所制備的富氧官能團(tuán)碳/伊利石復(fù)合吸附劑材料中，含氧官能團(tuán)數(shù)量達(dá)到7.0-9.0mmol/g。

其制備方法及工藝步驟如下：

(1)按伊利石：碳源：水＝1：1-5：20-50的質(zhì)量比混合均勻，轉(zhuǎn)移進(jìn)入高壓反應(yīng)釜中在160-240℃條件下水熱反應(yīng)12-24h。然后進(jìn)行過(guò)濾、烘干和研磨，得到水熱碳化產(chǎn)物；所述的碳源為可溶性糖類，如葡萄糖、蔗糖、纖維素、淀粉、麥芽糖等；