[發明專利]一種炭氣凝膠小球及其制備方法和作為重金屬吸附材料的應用

有效

• 申請號: 202110651915.9
• 申請日: 2021-06-11
• 公開（公告）號: CN113426385B
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 侯浩波;程蓉;李嘉豪;李詩瑤;曾天宇;周旻
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: B01J13/00
• 分類號: B01J13/00;C01B32/05;B01J20/20;B01J20/28;B01J20/30;C02F1/28;B09C1/00;C02F101/20
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 張偉

本發明公開了一種炭氣凝膠小球及其制備方法和作為重金屬吸附材料的應用。將酚類化合物、醛類化合物、殼聚糖和海藻酸鈉溶解至水中，進行聚合反應，得到凝膠溶液；將所述凝膠溶液滴加至含氯化鈣的飽和硼酸溶液中形成凝膠小球；所述凝膠小球依次進行老化、干燥和炭化處理，即得炭氣凝膠小球，該炭氣凝膠小球具有發達孔結構、較大比表面積，且富含雜原子，對重金屬表現出優異的吸附?鈍化性能，可以廣泛用于重金屬污染水體或重金屬污染土壤的處理，具有吸附容量高，易于回收的特點，有良好的工業應用前景。

技術領域

本發明涉及一種炭氣凝膠小球及其制備方法和應用，特別涉及一種摻雜納米金屬的炭氣凝膠小球，還涉及炭氣凝膠小球的制備方法，以及作為含重金屬廢水吸附劑和重金屬污染土壤鈍化劑的應用，屬于環境工程技術領域。

背景技術

炭氣凝膠由于其特殊的三維空間結構而具有比表面積大、導電性高、化學穩定性好、環境相容性好、表面化學可調等特點。但因為碳材料本身存在親水性差、表面活性低等特點，以及其繁瑣的制備過程制約了其發展和應用?，F有技術中炭氣凝膠的制備步驟主要分為三步：1.凝膠化階段：通過溶膠-凝膠和老化過程形成和增強凝膠；2.干燥：在常溫、冷凍或超臨界條件下干燥獲得氣凝膠；3.炭化：在流動的氮氣氣氛下高溫炭化，形成炭氣凝膠(“Carbon Aerogels for Environmental Clean-Up”，Gan G,et al..European Journalof Inorganic Chemistry,2019,2019(27):3126-3141)。常用的制備方法是以間苯二酚和甲醛為原料在堿性催化劑的作用下形成凝膠，然后以二氧化碳為介質進行超臨界干燥制得有機氣凝膠，再將有機氣凝膠在惰性氣體保護下高溫熱解即得碳氣凝膠。這種方法的缺陷在于制備凝膠時必須有堿性催化劑的催化，當催化劑濃度較高時凝膠在超臨界干燥和碳化過程中均有很大收縮，難以得到低密度的碳氣凝膠，而當催化劑濃度較低時往往得不到凝膠(“碳氣凝膠及其復合材料的制備與應用”，楊鷙，中國科學技術大學，2020)。近年來針對炭氣凝膠制備的簡化主要集中在原料的改進和探尋，而對于碳材料本身的特點則采用了摻雜改性法使其得到優異的性能。

氮在元素周期表中位于碳的右邊相鄰位置，兩者的化學性質相似，比較容易結合。當氮摻雜進入碳材料里面時，氮可以取代碳材料中的碳原子，氮原子的摻入改變了碳材料的表面電子性能，增加了碳材料的缺陷位(即催化活性位)點，進而提高了催化活性；二是含氮碳材料表面的堿性基團與活性組分之間的強相互作用，有利于金屬活性組分在碳材料表面的分散，且可起到抑制積碳的形成，同時也能通過改善表面結構來增強碳材料的親水性和表面活性。溶膠凝膠反應制得的濕凝膠在常壓干燥過程中網絡結構極易收縮、內陷、開裂，為了保證凝膠骨架的強度和孔道的完整，現有技術中通常在溶膠凝膠過程中通過加入一些粘結劑和交聯劑來增強骨架強度。

中國專利(CN109647295B)公開了一種氣凝膠小球的制備方法及應用。將海藻酸鈉和N-琥珀酰殼聚糖分別溶于去離子水中混合均勻，然后將二者溶液充分混合、超分散處理后倒入膜具冰凍成型、冰凍干燥后得到未交聯的海藻酸鈉/N-琥珀酰殼聚糖復合氣凝膠；然后將復合氣凝膠浸入鈣鋁離子混合溶液中進行交聯反應，反應結束后用去離子水反復沖洗，冰凍后再冷凍干燥即得到交聯的海藻酸鈉/N-琥珀酰殼聚糖復合氣凝膠。該專利技術得到的海藻酸鈉/N-琥珀酰殼聚糖復合氣凝膠具有優秀的表面親和力和高比表面積以及優異的機械性能。但是該專利技術得到的小球比表面積較炭氣凝膠球的較小，并且需要多次冷凍干燥，且每次時間需長達24h以上，整個制備過程時間需要四天以上，耗時較長。目前，鮮有氣凝膠小球經炭化處理后在重金屬污染處理上的應用。

發明內容

針對現有存在的合成工藝復雜、效率低等技術問題以及常規制備的炭氣凝膠材料本身表面活性低等特性，本發明的第一個目的是在于提供一種具有發達孔結構、大比表面積、含有極性基團及納米金屬摻雜的炭氣凝膠小球，該炭氣凝膠小球對水或土壤中的重金屬表現出較高的吸附和鈍化活性。

本發明的第二個目的是在于提供一種炭氣凝膠小球的制備方法，該制備方法過程操作簡單，成本較低，有利于大規模化生產。