一種多孔碳吸附劑及其制備方法和應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種多孔碳吸附劑及其制備方法和應(yīng)用，所述多孔碳吸附劑由蠶繭作為碳源直接制備得到。本發(fā)明專利技術(shù)所提供的方法可控性強(qiáng)，重復(fù)性好，所制備的多孔碳為分級(jí)多孔碳，含有大量的微孔和介孔，具有吸附位點(diǎn)多，吸附劑擴(kuò)散快的優(yōu)點(diǎn)，適用于作為快速吸附水中六價(jià)鉻和/或重金屬離子的吸附劑。

Porous carbon adsorbent, preparation method and application thereof

The invention relates to a porous carbon adsorbent, a preparation method and an application thereof, wherein the porous carbon adsorbent is prepared directly from the silkworm cocoon as a carbon source. The invention provides a method of controllable, repeatable, porous carbon for the preparation of hierarchical porous carbon, containing a large number of micropores and mesopores, with adsorption sites, adsorption diffusion of the advantages of fast, suitable as an adsorbent of chromium six rapid adsorption of heavy metal ions and / or.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種多孔碳吸附劑及其制備方法和應(yīng)用
本專利技術(shù)屬于吸附劑材料領(lǐng)域，具體涉及一種用于處理污水中重金屬離子六價(jià)鉻的多孔碳吸附劑及其制備方法和應(yīng)用。
技術(shù)介紹
飲用水安全關(guān)系著人類健康和生命安全。但是，隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，含有大量有毒重金屬離子以及有毒有機(jī)物分子的的廢水被產(chǎn)生并且排放到河流等水域，直接或者間接威脅人及動(dòng)物的健康和生存。鉻是工業(yè)廢水中常見的一種重金屬，在水中的存在形式主要是三價(jià)以及六價(jià)。相對(duì)于三價(jià)鉻，六價(jià)鉻具有強(qiáng)氧化性以及毒性，引起了廣泛關(guān)注。研究表明，六價(jià)鉻在人體內(nèi)會(huì)逐漸積累而引發(fā)急性或慢性疾病。所以，在廢水排放前降低水中六價(jià)鉻的含量對(duì)于人類健康非常重要。常見的污水處理方法包括化學(xué)沉淀法，離子交換法和吸附法。其中，吸附法具有操作簡單和處理效率高的優(yōu)點(diǎn)，被作為污水凈化的主要方法。吸附劑是吸附技術(shù)的關(guān)鍵部分，其吸附性能對(duì)于吸附技術(shù)具有決定性的作用。在多種吸附劑中，多孔碳是一種常見的吸附劑，它具有制備成本較低和來源廣泛的特點(diǎn)。但是，目前使用的多孔碳普遍存在吸附容量低和速率慢的問題。所以，開發(fā)一種吸附容量大、吸附速率快的多孔碳對(duì)于工業(yè)廢水凈化意義重大。多孔碳的吸附性能收到其孔結(jié)構(gòu)以及比表面積的影響。研究發(fā)現(xiàn)，增加多孔碳的比表面積，有利于提高多孔碳對(duì)重金屬離子的吸附容量。因?yàn)槎嗫滋嫉谋缺砻娣e受孔體積控制，特別是微孔體積，所以提高多孔碳的微孔體積有利于提高重金屬離子的吸附容量。但是，從溶液擴(kuò)散角度分析，過多的微孔會(huì)限制溶液在孔內(nèi)的流動(dòng)，從而影響多孔碳的吸附速率。因此，合理的孔結(jié)構(gòu)分布是開發(fā)同時(shí)兼具高吸附容量以及高吸附速率的多孔碳必要條件。蠶繭作為一種天然生物絲，由蛋白質(zhì)以及少量的金屬離子組成，是一種優(yōu)異的多孔碳原材料。而且，蠶絲直徑約22μm，在與KOH共混造孔后，其較粗的直徑有利于KOH在造孔過程中融合表面微孔進(jìn)一步形成大孔，同時(shí)，沿大孔壁繼續(xù)向內(nèi)刻蝕形成微孔和小介孔，構(gòu)成分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中多孔碳吸附劑存在的上述問題，提供一種具有碗狀分級(jí)多孔碳及其制備方法，以及在重金屬鉻離子吸附中的應(yīng)用。本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案：一種多孔碳吸附劑，由蠶繭作為碳源直接制備，由碳、氧以及氮元素組成。在本專利技術(shù)的優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述多孔碳具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，其中微孔占比為40-50%，介孔和大孔占比為50-60%。在本專利技術(shù)的優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述多孔碳的比表面積為2000-3500m2g-1,孔體積為1-2cm3g-1。本專利技術(shù)還保護(hù)上述多孔碳吸附劑的制備方法，將蠶繭于300-500oC下進(jìn)行預(yù)碳化，再以強(qiáng)堿作為造孔劑，在600-1200oC惰性氣氛保護(hù)條件下對(duì)預(yù)碳化產(chǎn)物進(jìn)行活化造孔，然后清洗，干燥得到。在本專利技術(shù)的優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述的預(yù)碳化為將清潔蠶繭在馬弗爐中以1-10oC/min的升溫速率升到300-500oC碳化，之后保溫20-120min獲得預(yù)碳化產(chǎn)物。在本專利技術(shù)的優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述的活化造孔為將碳化好的蠶繭碳和強(qiáng)堿以1:0.5-1:3的比例混合均勻后，放入管式爐中，在惰性氣氛保護(hù)的條件下以升溫速率為1-10oC/min，目標(biāo)溫度為600-1200oC，保溫時(shí)間控制在30-300min的條件下活化，之后自然冷卻到室溫。在本專利技術(shù)的優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述的清洗為將冷卻好的多孔碳經(jīng)過鹽酸溶液以及去離子水清洗至中性，過濾干燥。在本專利技術(shù)的優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述的惰性氣氛為氮?dú)夂?或氬氣。在本專利技術(shù)的優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述的強(qiáng)堿為氫氧化鉀或氫氧化鈉。本專利技術(shù)還保護(hù)上述多孔碳吸附劑在處理含重金屬六價(jià)鉻和/或其他重金屬離子的污水處理中應(yīng)用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下有益的效果：（1）本專利技術(shù)制備了一種具有碗狀分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的碳材料，其分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)由200-300nm的大孔以及在大孔孔壁上均勻分布的介孔（2~50nm）以及微孔（<2nm）。其中，大孔以及介孔因?yàn)槠漭^大的孔徑，從而有利于吸附劑的快速擴(kuò)散。微孔主要可以提高多孔碳的比表面積，增加吸附位點(diǎn)，促進(jìn)對(duì)六價(jià)鉻的吸附。這種材料具有高的比表面積以及合理的孔結(jié)構(gòu)分布。（2）本專利技術(shù)將蠶繭直接作為碳源，通過預(yù)碳化溫度、升溫速率以及保溫時(shí)間的精確控制，得到完全碳化的蠶繭，在此基礎(chǔ)上，再將制備的蠶繭碳經(jīng)過強(qiáng)堿活化劑的比例調(diào)控，活化溫度以及升溫速率調(diào)控，在惰性氣氛下進(jìn)行活化造孔，最后將活化產(chǎn)物放于酸溶液中清洗，去掉生成的無機(jī)物模板，得到所需要的多孔碳吸附劑。該制備方法的過程優(yōu)化控制對(duì)于性能優(yōu)異的多孔活性碳吸附劑的獲得起到了重要的作用。（3）本專利技術(shù)所提供的方法可控性強(qiáng)，重復(fù)性好，所制備的多孔碳為分級(jí)多孔碳，含有大量的微孔和介孔，具有吸附位點(diǎn)多，吸附劑擴(kuò)散快的優(yōu)點(diǎn)，適用于作為快速吸附水中六價(jià)鉻和/或其他重金屬離子，表現(xiàn)出了兼具高吸附容量以及快速吸附速率的高吸附性能。附圖說明以下結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步說明:圖1、實(shí)施例1中制備的多孔碳的SEM照片以及局部放大照片；圖2、實(shí)施例1中制備的多孔碳的氮?dú)馕摳角€（a）；DFT模型計(jì)算得到的孔徑分布圖（b）；圖3、實(shí)施例1中多孔碳的在不同pH條件下的吸附容量圖；圖4、實(shí)施例1中的多孔碳在30oC，40oC和50oC下的吸附等溫線（a）；多孔碳吸附容量隨時(shí)間的變化圖（b）。具體實(shí)施方式為了使本專利技術(shù)的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本專利技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本專利技術(shù)，而不構(gòu)成對(duì)本專利技術(shù)的限制。實(shí)施例1（1）將清潔蠶繭在馬弗爐中以5oC/min的升溫速率升到450oC碳化，之后保溫60min獲得預(yù)碳化產(chǎn)物；（2）將碳化好的蠶繭碳研磨成粉末，與KOH以重量比為1:1的比例混合均勻后，放入管式爐中。在氬氣保護(hù)的條件下以升溫速率為5oC/min,目標(biāo)溫度900oC，保溫時(shí)間控制在120min的條件下活化，之后自然冷卻到室溫；（3）將活化后的多孔碳倒入1MHCl溶液中磁力攪拌4h，之后減壓抽濾并用去離子水清洗至pH=7，過濾干燥，得到所需要的多孔碳吸附劑。將產(chǎn)物進(jìn)行物化性能表征。由圖1中可見清晰的大孔結(jié)構(gòu)，尺寸約200-300nm。由圖2的孔徑分布可以得到所制備的多孔碳包括微孔（<2nm）以及介孔（2-50nm），BET計(jì)算得到的比表面積為3134m2/g。圖3顯示，所制備多孔碳在pH=2的條件下可以達(dá)到最大吸附容量。由圖4中數(shù)據(jù)分析，所制備多孔碳在室溫中的飽和吸附量為366mgg-1，吸附可以在5min內(nèi)達(dá)到飽和吸附量的85%，并且在一小時(shí)能達(dá)到最大吸附量。實(shí)施例2（1）將清潔蠶繭在馬弗爐中以5oC/min的升溫速率升到450oC碳化，之后保溫60min獲得預(yù)碳化產(chǎn)物；（2）將碳化好的蠶繭碳研磨成粉末，與KOH以重量比為1:1的比例混合均勻后，放入管式爐中。在氬氣保護(hù)的條件下以升溫速率為5oC/min,目標(biāo)溫度900oC，保溫時(shí)間控制在120min的條件下活化，之后自然冷卻到室溫；（3）將活化后的多孔碳倒入1MHCl溶液中磁力攪拌4h，之后減壓抽濾并用去離子水清洗至pH=7，過濾干燥，得到所需要的多孔碳吸附劑。將產(chǎn)物進(jìn)行物化性能表征，其結(jié)果與實(shí)施例1相當(dāng)。BET計(jì)算得到的比表面積為3210m2/g，在pH=2的條件下可以達(dá)到最大吸附容量，在室溫中的飽本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種多孔碳吸附劑，其特征在于，由蠶繭作為碳源直接制備，由碳、氧以及氮元素組成。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種多孔碳吸附劑，其特征在于，由蠶繭作為碳源直接制備，由碳、氧以及氮元素組成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔碳吸附劑，其特征在于，所述多孔碳吸附劑具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，其中微孔占比為40-50%，介孔和大孔占比為50-60%。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔碳吸附劑，其特征在于，所述多孔碳的比表面積為2000-3500m2g-1,孔體積為1-2cm3g-1。4.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的多孔碳吸附劑的制備方法，其特征在于，將蠶繭于300-500oC下進(jìn)行預(yù)碳化，再以強(qiáng)堿作為造孔劑，在600-1200oC惰性氣氛保護(hù)條件下對(duì)預(yù)碳化產(chǎn)物進(jìn)行活化造孔，然后清洗，干燥得到。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述的預(yù)碳化為將清潔蠶繭在馬弗爐中以1-10oC/min的升溫速率升到300-500oC碳化，之后保...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王峰，孫駿婷，竇美玲，宋夜，李志林，劉景軍，吉靜，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京化工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京,11