一種以NaCl為硬模板制備多孔碳材料的方法及用途技術

本發明專利技術提供了一種以NaCl為硬模板制備多孔碳材料的方法及用途，按照下述步驟進行：步驟1、將木質素和NaCl溶解于去離子水中，待溶解完全后，將溶液置于烘箱中烘干，得到木質素和NaCl混合固體；步驟2、前軀體的碳化：取木質素和NaCl混合固體于管式爐中在惰性氣體保護下進行碳化處理，碳化處理后的樣品用去離子水去除NaCl模板，于烘箱中烘干，得碳化物；步驟3、氫氧化鉀活化：將氫氧化鉀與步驟2中的碳化物混合并研磨均勻，在惰性氣體保護下，在管式爐內進行活化，得到活化產物；然后將活化產物浸沒于鹽酸中浸泡，以除去雜質，真空抽濾，水洗至中性，干燥得到多孔碳材料。本發明專利技術所用硬模板NaCl和碳源木質素價格低廉、來源廣泛、綠色環保。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種以NaCl為硬模板制備多孔碳材料的方法，屬環境功能材料制備

技術介紹
四環素類抗生素對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性引起嚴重疾病具有很好的抗菌活性，因此廣泛用于人類和動物的疾病預防和治療或者作為家禽飼料添加劑，但是，四環素在體內消化吸收差，因此大部分沒有參與新陳代謝而排除體外，仍然保持著生物活性，進入環境中，在微生物中進行轉移和傳播并產生毒效應，濫用四環素已經導致肉類農產品、生態環境中不安全殘留，國內外學者研究已經證實了在土壤和水環境中存在四環素類抗生素殘留，引起了環境生態學的廣泛關注，因此，建立和發展有效和經濟適用處理手段來選擇性移除環境中四環素類抗生素殘留是極為迫切的。模板碳材料的合成引起了廣泛關注，主要是因為模板碳材料具有較高的比表面積，獨特的孔隙結構以及良好的電性能，使其在很多科學
有很大的應用前景，比如在催化，氣體分，能源儲存和污水處理等方面。傳統的硬模板法制備多孔碳材料通常由碳前軀體溶液和硬模板孔隙通過液相浸漬法制備。常用的硬模板包括二氧化硅(SBA-15/16、MCM-41/48、沸石等)，還有金屬氧化物(MgO、TiO2、NiO等)。在硬模板法制備過程中，硬模板的去除步驟通常比較費時，去除成本相對較高且具有一定的危險性，這很大程度上限制了材料的大規模生產和廣泛應用。因此，在不降低產物應用性能的前提下，選擇一種易去除，成本低的材料作為硬模板顯得尤為重要。氯化鈉，主要來源于海水，屬于離子晶體，熔點較高(801℃)，晶體成立體對稱，在其晶體結構中，較大的氯離子排成立方最密堆積，而較小的鈉離子則填充在氯離子形成的八面體空隙之中，易溶于水。在以氯化鈉為硬模板制備多孔碳材料的過程中，當作為硬模板的氯化鈉與碳前軀體共同溶于水時，碳前驅體分子會包裹在氯化鈉粒子表面，隨后，經過高溫處理，碳源會轉變為碳依然包覆在氯化鈉粒子表面，待經過去離子水浸泡洗滌后去除氯化鈉，從而形成碳納米片結構。這種碳納米片結構在吸附水環境中的四環素方面具有較大優勢，由于碳納米片的存在，大大增加了碳材料與四環素分子的接觸面積，減小分子傳輸距離，提高吸附效率。木質素(SLS)是一種復雜的天然聚合物，是木材的三種主要組成部分之一，也是其他生物質原料的重要組成部分。大部分生物質原料都由三種成分構成：纖維素、半纖維素和木質素。木質素是世界上最常用的聚合物之一，僅次于纖維素，年產量超過50萬噸。然而，木質素的應用市場卻很小，利用率僅為1％-2％。由于木質素是酚醛聚合物，所以在結構上木質素會類似于間苯二酚-糠醛體系。因此，在某種條件下，木質素也可以形成三維交聯網絡。很多研究者將木質素與其他碳前軀體結合形成共混物，例如，有的研究顯示木質素在與NaOH和環氧氯丙烷混合會發生交聯，另一項研究證明木質素能夠和丙烯酰胺以及聚乙烯醇發生共聚。然而，大部分研究都是在測量木質素共混物的溶脹性能，很少有關于木質素基多孔碳材料用于吸附水環境中抗生素的研究。本專利技術以可再生資源木質素作為原料，以易去除，成本低的NaCl作為硬模板，通過硬模板法和KOH活化法結合的方法，制備出碳納米片狀的多孔碳材料，并用于高效吸附水環境中的四環素，表現出良好的吸附效果，是一種具有前景的可再生碳吸附劑。
技術實現思路
本專利技術涉及一種以NaCl為硬模板制備多孔碳材料的制備方法。首先，以1:10的質量比將木質素和NaCl溶解于一定體積的水中，待溶解完全后，將溶液置于60-100℃的烘箱中烘干，將干燥后的NaCl和木質素混合物于管式爐中，在氮氣氛圍的保護下碳化：以5℃/min的升溫速度，從室溫升至400～600℃并維持2h。將碳化產物置于大量去離子水中不斷攪拌并過濾，將其中的NaCl完全溶解以通過過濾方法去除，如此反復，直至NaCl模板去除完全，干燥后即可得以NaCl為模板的木質素基模板碳化物。將碳化物和KOH按照1:4的質量比例，充分研磨至混合均勻。然后于管式爐中進行活化：氮氣氣氛保護，升溫速度設為5℃/min，由室溫升至850℃并維持1h，待冷卻至室溫后，將活化后的產物利用HCl(1.0-12mol/L)清洗以去除反應過程中產生的雜質，然后用水洗至中性，干燥后得到多孔碳。本專利技術采用的技術方案是：一種以NaCl為硬模板制備多孔碳材料的制備方法，按照下述步驟進行：步驟1、將木質素和NaCl溶解于去離子水中，待溶解完全后，將溶液置于烘箱中烘干，得到木質素和NaCl混合固體；步驟2、前軀體的碳化：取木質素和NaCl混合固體于管式爐中在惰性氣體保護下進行碳化處理，碳化處理后的樣品用去離子水去除NaCl模板，于烘箱中烘干，得碳化物；步驟3、氫氧化鉀活化：將氫氧化鉀與步驟2中的碳化物混合并研磨均勻，在惰性氣體保護下，在管式爐內進行活化，得到活化產物；然后將活化產物浸沒于鹽酸中浸泡，以除去雜質，真空抽濾，水洗至中性，干燥得到多孔碳材料。步驟1中，木質素和NaCl的質量比為1:10。步驟2中，所述碳化溫度為400～600℃，升溫速率為5℃/min，并在400～600℃下保持2h。步驟3中，所使用的氫氧化鉀與碳化物的質量比為4:1。步驟3中，所述活化溫度為850℃，升溫速率為5℃/min，并在850℃下保持1h。步驟3中，所述的水洗為用去離子水或蒸餾水或熱水洗。步驟3中，所述的鹽酸濃度為1.0～12mol/L。步驟2、3中，所使用的惰性氣體均為氮氣。所制備的多孔碳材料用于吸附水體中的抗生素，如吸附水體中的四環素。本專利技術的有益效果在于：(1)本專利技術所用硬模板NaCl和碳源木質素價格低廉、來源廣泛、綠色環保；(2)制得的木質素基多孔碳材料機械性能好、結構穩定、比表面積高，可用于吸附水體中的抗生素。(3)本專利技術的制備方法簡單易行、流程較短、操作易控，適于推廣使用。附圖說明圖1中(圖a)和(圖b)均為實施例1制備的多孔碳的掃描電鏡圖；圖2為實施例1制備的多孔碳材料透射電鏡圖；圖3為實施例1制備的多孔碳材料的N2氣吸附-脫附等溫線(圖a)和孔徑、孔容分布圖(圖b)；圖4為實施例1制備的多孔碳材料在不同溫度下對四環素符合langmuir模型的吸附等溫線圖；圖5為實施例1制備的多孔碳材料在不同溫度下對四環素的吸附動力學圖；圖6為實施例1制備的多孔碳材料的再生性能圖。具體實施方式下面結合具體實施例對本專利技術作進一步描述：實施例1：首先，以1:10的質量比將木質素和NaCl溶解于一定體積的去離子水中(以木質素和NaCl均溶解為準)，待溶解完全后，將溶液置于60℃的烘箱中烘干，將干燥后的NaCl和木質素混合物于管式爐中，在氮氣氛圍的保護下碳化：以5℃/min的升溫速度，從室溫升至500℃并維持2h。將碳化產物置于大量去離子水中不斷攪拌并過濾，將其中的NaCl完全溶解以通過過濾方法去除，如此反復，直至NaCl模板去除完全，干燥后即可得以NaCl為模板的木質素基模板碳化物。將碳化物和KOH按照1:4的質量比例，充分研磨至混合均勻。然后于管式爐中進行活化：氮氣氣氛保護，升溫速度設為5℃/min，由室溫升至850℃并維持1h，待冷卻至室溫后，將活化后的產物利用HCl(1.0mol/L)清洗以去除反應過程中產生的雜質，然后用水洗至中性，干燥后得到多孔碳材料。圖1中(a)和(b)均為實施例本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種以NaCl為硬模板制備多孔碳材料的制備方法，其特征在于，按照下述步驟進行：步驟1、將木質素和NaCl溶解于去離子水中，待溶解完全后，將溶液置于烘箱中烘干，得到木質素和NaCl混合固體；步驟2、前軀體的碳化：取木質素和NaCl混合固體于管式爐中在惰性氣體保護下進行碳化處理，碳化處理后的樣品用去離子水去除NaCl模板，于烘箱中烘干，得到碳化物；步驟3、氫氧化鉀活化：將氫氧化鉀與步驟2中的碳化物混合并研磨均勻，在惰性氣體保護下，在管式爐內進行活化，得到活化產物；然后將活化產物浸沒于鹽酸中浸泡，以除去雜質，真空抽濾，水洗至中性，干燥得到多孔碳材料。

【技術特征摘要】
1.一種以NaCl為硬模板制備多孔碳材料的制備方法，其特征在于，按照下述步驟進行：步驟1、將木質素和NaCl溶解于去離子水中，待溶解完全后，將溶液置于烘箱中烘干，得到木質素和NaCl混合固體；步驟2、前軀體的碳化：取木質素和NaCl混合固體于管式爐中在惰性氣體保護下進行碳化處理，碳化處理后的樣品用去離子水去除NaCl模板，于烘箱中烘干，得到碳化物；步驟3、氫氧化鉀活化：將氫氧化鉀與步驟2中的碳化物混合并研磨均勻，在惰性氣體保護下，在管式爐內進行活化，得到活化產物；然后將活化產物浸沒于鹽酸中浸泡，以除去雜質，真空抽濾，水洗至中性，干燥得到多孔碳材料。2.根據權利要求1所述的一種以NaCl為硬模板制備多孔碳材料的制備方法，其特征在于，步驟1中，木質素和NaCl的質量比為1:10。3.根據權利要求1所述的一種以NaCl為硬模板制備多孔碳材料的制備方法，其特征在于，步驟2中，所述碳化溫度為400～600℃，升溫速率為5℃/min，并在...

【專利技術屬性】
技術研發人員：謝阿田，戴江棟，馬平，何勁松，李春香，閆永勝，
申請(專利權)人：江蘇大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32