[發明專利]一種高吸附性能碳氣凝膠及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201710123621.2
• 申請日: 2017-03-03
• 公開（公告）號: CN106824080B
• 公開（公告）日: 2019-11-12
• 發明（設計）人: 吳敏;黃勇;孟秋華
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/30;C02F1/28;C02F101/32;C02F101/36;C02F101/34;C02F101/38
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王文君

本發明公開一種用于吸附有機溶劑的纖維素基碳氣凝膠及其制備方法。本發明通過機械作用的方法制備了天然纖維素與改性纖維素的復合納米纖維素水懸浮液，然后經過冷凍干燥得到了纖維素復合氣凝膠，最后將這種復合氣凝膠碳化制備碳氣凝膠。所述碳氣凝膠密度約為0.012g/cm³，對有機溶劑的吸附可達到自身質量的60倍以上。

技術領域

本發明涉及天然高分子材料的技術領域。更具體地，涉及一種纖維素基碳氣凝膠及其制備方法和應用。

背景技術

隨著我國經濟的迅猛發展，工業產生的廢棄物日趨增多，尤其廢棄的有機溶劑是不可忽視的一部分。廢有機溶劑是指有機溶劑生產、配制、使用過程中產生的廢物。其特點是分子量不大，在常溫常壓下呈液態，具有較大的揮發性和脂溶性，它們產生量大、種類多、分布廣、涉及行業多又因其含有多種鹵代烴、多環芳烴等而被列入國家危險廢物名錄中。廢有機溶劑可以對大氣、土壤及水環境造成嚴重污染，并且在產生、貯存、運輸、處置等環節均存在環境風險和污染危害。而且實驗室中的毒性有機溶劑揮發、排到大氣中、水中，不僅傷害實驗人員，影響健康，還污染環境，所以對于廢棄有機溶劑的處理急需我們的關注與解決。

作為可再生的天然資源，對纖維素的利用一直是纖維素的研究熱點。天然纖維素分子有較高的結晶度，分子間和分子內存在大量的氫鍵，這使得它不溶解于普通溶劑，即加工性能較差。而經改性后的纖維素與之前相比，結晶度和聚合度明顯降低，可及度明顯提高，無論物理性質還是化學性質都表現出更大的優越性。而近年來有大批研究學者在纖維素氣凝膠研究方面取得了一系列成果，如公開號為CN105148868A的中國發明專利將纖維素表面進行處理帶上正負電荷，然后與羧化殼聚糖等進行復合制備了纖維素基氣凝膠用于有機染料吸附。公開號為CN105289527A的中國發明專利將纖維素在離子液體LiCl/DMAc中進行酯化，然后制備了纖維素酯氣凝膠用于吸附廢水中有機物。但該纖維素酯氣凝膠制備過程中使用了大量的試劑，且操作復雜。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于吸附有機溶劑的纖維素基碳氣凝膠及其制備方法和應用。所述纖維素基碳氣凝膠對有機溶劑的吸附可達自身質量的60倍以上，且其操作簡單，利用機械力作用，在天然纖維素納米化的同時與改性纖維素復合，提高了天然纖維素的利用率，對環境污染小，經濟實用。

為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種纖維素基碳氣凝膠的制備方法，包括如下步驟：

(1)將天然纖維素與改性纖維素加入到溶劑中，混合；

(2)通過研磨將混合物制成纖維素膠狀物；

(3)將纖維素膠狀物用水稀釋制成分散液，冷凍干燥，得到纖維素基氣凝膠；

(4)在氮氣、氬氣或氦氣條件下煅燒碳化纖維素基氣凝膠，得到纖維素基碳氣凝膠。

本發明通過研磨破壞天然纖維素中氫鍵與結晶結構，使天然纖維素中更多的自由羥基暴露出來，增大纖維素可及度，實現纖維素的纖維化；同時，天然纖維素與改性纖維素相互作用形成復合纖維素膠狀物，再通過冷凍干燥實現復合纖維素膠狀物的氣凝膠化，最后通過煅燒碳化提高纖維素氣凝膠的吸附性能。

在本發明步驟(1)中，所述天然纖維素來源于木材、棉花、麻、農作物秸稈、農作物果實；天然纖維素宏觀形狀為纖維狀、顆粒或漿板狀；所述改性纖維素選自乙基纖維素、醋酸纖維素、羧甲基纖維素、羥丙基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羥乙基纖維素。

步驟(1)中，所述天然纖維素與改性纖維素的質量比為1:0.01-0.2；優選1:0.01-0.1。本發明通過改進現有纖維素氣凝膠工藝，大大提高天然纖維素的利用率，降低了現有纖維素氣凝膠的生產成本。

步驟(1)中，所述溶劑選自水、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亞砜。