[發(fā)明專利]一種用于水處理的高吸附超輕三維分級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳?xì)饽z材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710607964.6
• 申請(qǐng)日: 2017-07-24
• 公開（公告）號(hào): CN107552023B
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃富強(qiáng);李致;徐吉健
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號(hào): B01J20/28
• 分類號(hào): B01J20/28;B01J20/20;B01J20/30;C02F1/28;C02F101/30;C02F101/32
• 代理公司: 上海瀚橋?qū)＠硎聞?wù)所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優(yōu)麗

本發(fā)明涉及一種用于水處理的高吸附超輕三維分級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳?xì)饽z材料及其制備方法，所述制備方法包括：將生物質(zhì)碳源加入至電解質(zhì)鹽溶液中，攪拌得到均勻的混合溶液，所述生物質(zhì)碳源為可食用多糖大分子；將所得混合溶液經(jīng)冷凍干燥后，在400～1300℃下碳化60～480分鐘，得到帶有電解質(zhì)鹽晶體的碳基材料；將所得帶有電解質(zhì)鹽晶體的碳基材料置于水中以溶解其中的電解質(zhì)鹽晶體，再經(jīng)干燥后，得到所述三維分級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳?xì)饽z材料。本發(fā)明制備的高吸附超輕三維分級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳?xì)饽z材料具有良好的疏水親油性，超低密度，優(yōu)異的原油/有機(jī)物吸附性能，且制備方法簡單易行，綠色環(huán)保，不會(huì)造成二次污染。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于水處理的高吸附超輕三維分級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳?xì)饽z材料及其制備方法，具體涉及一種溶膠凝膠法制備低密度的高吸附三維分級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳?xì)饽z，屬于材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著城市化和工業(yè)化的推進(jìn)，由溢油和化學(xué)品泄漏所造成的污染日益加重，這引起了人們的高度重視。這些泄漏的原油或油品，以及一些危害性有機(jī)溶劑不僅造成了生態(tài)系統(tǒng)的損害，同時(shí)也導(dǎo)致了資源的浪費(fèi)。所以，制備能有效地從水中吸附和轉(zhuǎn)移這些污染物的材料是近來的研究熱點(diǎn)。理想的吸附材料應(yīng)具有疏水性和親油性，優(yōu)異的吸附能力以及可重復(fù)利用性。三維多孔碳基材料除具備上述所需的基本特性外，一般還具有低密度，孔結(jié)構(gòu)豐富以及化學(xué)惰性等優(yōu)良特性，因而其在水處理領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用前景。目前，研究人員在碳納米管海綿，石墨烯氣凝膠和碳納米纖維泡沫等三維多孔碳基材料的制備上已取得了不同程度的成功。但是，繁瑣的制備方法，有害/昂貴的前驅(qū)體或復(fù)雜的設(shè)備阻礙了其規(guī)模化生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用。這就需要我們能從前驅(qū)體的選擇，制備方法的設(shè)計(jì)，工藝流程的優(yōu)化入手，獲得理想的吸附材料。

從碳源入手，生物質(zhì)材料具有來源豐富、可再生、簡易并環(huán)境友好等特點(diǎn)，并且其本身也具有一定的微觀結(jié)構(gòu)，因此在合成具有獨(dú)特多級(jí)結(jié)構(gòu)及形貌的材料中具有廣闊的應(yīng)用前景，是吸附材料的合適前驅(qū)體，如面粉、冬瓜、棉花等。同時(shí)，用生物質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)試劑，也符合當(dāng)今“綠色化學(xué)”的理念，但大部分生物質(zhì)材料在熱解過程中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)收縮或坍塌，從而限制其應(yīng)用。一類可食用多糖大分子(如瓊脂、吉利丁、魚膠粉、卡拉膠等)，不溶于冷水，可溶于熱水，溶解后隨冷卻可通過自身的氫鍵形成凝膠得到三維塊體，但其在熱解過程中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)收縮。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種具有優(yōu)異疏水親油性的超輕三維分級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳?xì)饽z材料及其制備方法和應(yīng)用。

一方面，本發(fā)明提供了一種高吸附超輕三維分級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳?xì)饽z材料的制備方法，包括：

將生物質(zhì)碳源加入至電解質(zhì)鹽溶液中，攪拌得到均勻的混合溶液，所述生物質(zhì)碳源為可食用多糖大分子；

將所得混合溶液經(jīng)冷凍干燥后，在400～1300℃下碳化60～480分鐘，得到帶有電解質(zhì)鹽晶體的碳基材料；

將所得帶有電解質(zhì)鹽晶體的碳基材料置于水中以溶解其中的電解質(zhì)鹽晶體，再經(jīng)干燥后，得到所述三維分級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳?xì)饽z材料。

本發(fā)明首次將電解質(zhì)鹽與抑制生物質(zhì)碳源熱解過程中的結(jié)構(gòu)收縮結(jié)合，制備得到三維分級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳?xì)饽z。具體而言，本發(fā)明利用可食用天然生物高分子作為生物質(zhì)碳源，添加電解質(zhì)鹽，得到混合溶液。再將混合溶液冷凍干燥，所得混合溶液隨冷卻可通過自身的氫鍵形成凝膠得到三維塊體，然后將三維塊體在高溫(400～1300℃下保溫60～480分鐘)下碳化，制備得到三維分級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳?xì)饽z。在碳化的升溫過程中，熱驅(qū)動(dòng)力會(huì)導(dǎo)致剛性的高分子鏈通過氫鍵重排，形成致密結(jié)構(gòu)。而電解質(zhì)鹽的加入會(huì)破壞氫鍵的結(jié)構(gòu)，降低材料中氫鍵的結(jié)合程度，從而導(dǎo)致了碳化過程中三維塊體相對(duì)輕微的收縮。同時(shí)，電解質(zhì)鹽也可以作為造孔劑，在碳化后去除得到次級(jí)的孔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明選擇的電解質(zhì)鹽，安全且易于去除，因其在水中溶解度大，在后期去除的步驟中，僅需將碳化后的材料浸入水中待其完全溶解即可，該方法簡單易行且完全無污染。另外，碳化過程中親水性含氧官能團(tuán)的減少和消失，使得所制備的三維分級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳?xì)饽z表現(xiàn)出優(yōu)異的疏水親油性。