[發明專利]一種多孔碳環境修復材料的制備方法及其應用

在審

• 申請號: 201710753349.6
• 申請日: 2017-08-29
• 公開（公告）號: CN107349903A
• 公開（公告）日: 2017-11-17
• 發明（設計）人: 侯建華;唐健;周佳逸;吳夢縈;張珂;王小治
• 申請（專利權）人: 揚州大學
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/30;C02F1/28;B09C1/00
• 代理公司: 揚州市錦江專利事務所32106
• 代理人: 江平

技術領域

本發明屬于環境修復技術領域，具體涉及去除水體、土壤環境中重金屬離子和有機污染物的修復材料的制備方法。

背景技術

重金屬污染是指由重金屬及其化合物引起的環境污染，重金屬污染物難以降解，并且可以在動物和植物體內積累，通過食物鏈逐步富集，濃度可以成千成萬甚至成百萬倍地增加，從而進入人體造成危害。重金屬污染對人群健康的危害是全面且多層次的，它的毒理作用表現為：生殖障礙、影響胎兒的正常發育、威脅兒童以及成人身體健康等，最終降低人口身體素質、阻礙人口的可持續發展。

水體以及土壤等有機污染物中重金屬污染不但對耕地與農產品質量構成嚴重威脅，而且直接對民眾身體健康造成威脅，影響社會穩定。有機物對于環境的污染以及對人體危害是潛在而巨大的，特別是持久性有機污染物，由于它的污染源廣、難以降解、易于積蓄，要真正解決有機污染物帶來的問題，決不是容易的事。

多孔碳材料是一種以碳為骨架的多孔性材料，具有比較高的表面積，被廣泛認為是很有潛力的吸附劑。多孔碳材料包括活性碳、活性碳纖維、碳納米管、有序介孔碳以及新型聚合物基碳。摻雜型多孔碳材料能夠更加有效地去除污水以及土壤中的重金屬離子，如Cu²⁺、Hg²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺和Ni²⁺等。其中，活性碳因為具有高孔隙度、以及高比表面積和容易獲得等優點，已被廣泛應用于水處理領域。

然而可再生的商業活性炭仍然價格昂貴，研究更經濟的替代技術或吸附劑來吸附降解水體、土壤環境中重金屬離子和有機污染物，已受到廣泛關注。多孔碳材料的吸附作用主要分為物理吸附以及化學吸附。物理吸附是指由于碳材料內部分子在各個方向受力大小相同，從而導致表面的分子受到不平衡的力，所以使得物質被吸附在多孔碳的表面。多孔碳材料因其具有均一的孔尺寸、高的表面積和大的孔體積而能夠進行物理吸附?；瘜W吸附是指多孔碳材料與被吸附物質發生化學反應而產生吸附，但是純的多孔碳吸附能力往往有限。

人們研究發現，在碳的表面修飾一些官能團，如羧基、氨基、羥基等。這些官能團與金屬離子間能夠形成共價鍵，從而增強多孔碳的化學吸附能力。多孔碳材料的吸附大多數是物理吸附以及化學吸附的綜合作用。

香蒲草為多年生宿根性沼澤草本植物，植株高1.4-2米，有的高達3米以上。根狀莖白色，長而橫生，節部處生許多須根，老根黃褐色。莖圓柱形，治理，質硬而中立。葉呈扁平帶狀，長達1米多，寬2-3厘米，光滑無毛?；砍书L鞘抱莖?；▎涡?，肉穗狀化學頂生圓柱狀似蠟燭。

香蒲草是水生作物，對氣溫反應敏感，秋季蒲株地上部逐漸枯黃，但根狀的香蒲頂芽轉入休眠越冬。此時會有大量的香蒲草枯葉，資源十分豐富。但是目前為止這種量大、成本低廉的香蒲草作為生物廢棄物而未被人們充分利用。

發明內容

本發明目的是提供一種可充分利用香蒲草為原料，生產一種多孔碳環境復合材料的方法。

本發明包括以下步驟：

1）將風干后的香蒲草枯葉，主要是采集香蒲草的枯葉置于耐高溫容器中放在管式爐中，在放置時將材料盡可能地壓實，這樣可以一次性更多地燒制材料，也可以將香蒲草中的空氣可以排空，最后在氨氣條件下進行高溫碳化處理，降溫后得到香蒲草碳；經過以上碳化處理，取得蓮藕狀多孔碳材料。

2）將香蒲草碳、硫脲和硼酸銨混合研磨，取得多孔碳環境修復材料粗品。硫脲在高溫下會變為g-C₃N₄，將香蒲草碳與硫脲以及硼酸銨混合球磨，球磨時候的高溫會使得硫脲變為g-C₃N₄，同時在球磨中硼酸銨中的硼元素會復合到多孔碳材料中。最終的得到結果中是香蒲草碳這種多孔碳上會長上g-C₃N₄，并且會有硼元素。本發明g-C₃N₄是通過硫脲球磨產生的高溫而得到的，相比較之前那些通過高溫燒制來說是一個創新。

進一步地，本發明在所述步驟2）后，以H₂O和乙醇對多孔碳環境修復材料粗品進行洗滌，只需要加適量的H₂O和乙醇進行洗滌就行，可以先加水也可以先加乙醇，沒有固定的添加順序，也沒有固定的添加比例。添加H₂O和乙醇是為了洗掉香蒲草碳中的無機鹽，選用這兩種洗滌材料也是因為這兩種材料能最大程度上不影響到材料的性能。最后取得多孔碳環境修復材料精品。