一種木質素基多級孔碳材料的制備方法及其用途技術

本發明專利技術提供了一種木質素基多級孔碳材料的制備方法及其用途，按照下述步驟進行：步驟1、氫氧化鉀活化：將氫氧化鉀與碳前軀體混合均勻，得到碳前軀體與氫氧化鉀的混合物；將碳前軀體與氫氧化鉀的混合物在惰性氣體保護下，在管式爐內進行碳化活化；步驟2、將步驟1中活化產物浸沒于鹽酸中，以除去雜質，真空抽濾，水洗滌至中性，干燥即得木質素基多級孔碳材料。制得的木質素基多級孔碳材料比表面積大，吸附量高、吸附速率快，性能穩定、再生重復利用性好。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種木質素基多級孔碳材料的制備方法及其用途，屬環境功能材料制備

技術介紹
磺胺類藥物為廣譜抑菌劑。可用作抗菌劑與飼料添加劑，用于防治葡萄球菌及溶血性鏈球菌等的感染，主要治療禽霍亂、禽傷寒，雞球蟲病等疾病。抗生素進入機體后，少部分經過代謝反應生成無活性的產物，而大部分以原形通過糞便和尿液排出體外；另一方面，抗生素制藥過程所產生的廢水含有多種難降解的生物毒性物質和較高濃度的活性抗生素，它們對廢水生化處理中微生物的生長有很強的抑制作用，經生化處理后，廢水內殘留的抗生素仍不能被完全降解，排放到環境中會對環境造成一定的影響；這兩種形式對環境污染嚴重。國內外學者研究已經證實了在土壤和水環境中存在磺胺類抗生素殘留，并引起了環境生態學的廣泛關注。因此，建立和發展有效、經濟、實用的處理手段來選擇性移除環境中磺胺類抗生素殘留是極為迫切的。多孔材料是一種由相互貫通或封閉的孔洞構成網絡空間結構的材料，孔洞的邊界或表面由支柱或平板構成；相對連續介質材料而言，多孔材料一般具有相對密度低、比強度高、比表面積高、重量輕、隔音、隔熱、滲透性好等優點。多孔材料具備開放連通的孔道結構、超高的比表面積，結構特點決定了它具備出色的吸附能力。由于每種氣體或液體分子的直徑不同，其運動的自由程度不同，所以不同孔徑的多孔材料對不同氣體或液體分子的吸附能力就不同；活性碳因其具有發達的孔隙結構、高比表面積(可達3000m2g-1)、高表面活性和多樣的表面化學性質而成為廣泛使用的高效吸附劑，制作活性碳原料可以是煤、骨骼、果殼、木屑等；在當前資源匱乏、能源吃緊、環境惡化的情況下，資源的循環與清潔利用促使活性碳生產采用的原料向廢物再利用方向傾斜，如廢棄輪胎、木質纖維素類植物廢棄物等。本專利技術充分利用資源，將木質素系列中的木質素磺酸鈉作為碳的前軀體，采用氫氧化鉀為活化劑，制備出高比表面積的木質素基多級孔碳材料，對磺胺類抗生素具有良好的吸附效果，是一種具有前景的吸附劑。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種高比表面積木質素基多級孔碳材料的制備方法，首先，將碳前軀體與活化劑氫氧化鉀進行充分混合，在氮氣保護下高溫煅燒碳化活化；然后，用鹽酸除去不純物并用去離子水或蒸餾水或熱水洗滌至中性得到具有高比表面積的多級孔碳材料；并通過多種表征手段，揭示復合材料的形貌以及孔道分布等參數，利用吸附實驗研究所得的多級孔碳材料對水環境中磺胺二甲基嘧啶抗生素的去除性能。本專利技術采用的技術方案是：一種木質素基多級孔碳材料的制備方法，按照下述步驟進行：步驟1、氫氧化鉀活化：將氫氧化鉀與碳前軀體混合均勻，得到碳前軀體與氫氧化鉀的混合物；將碳前軀體與氫氧化鉀的混合物在惰性氣體保護下，在管式爐內進行碳化活化；步驟2、將步驟1中活化產物浸沒于鹽酸中，以除去雜質，真空抽濾，水洗滌至中性，干燥即得木質素基多級孔碳材料。步驟1中，制備碳前軀體與氫氧化鉀的混合物的方法為：將碳前軀體固體與氫氧化鉀固體混合并研磨均勻，得到碳前軀體與氫氧化鉀的混合物；或者碳前軀體固體與氫氧化鉀固體溶解與水中，混勻，再將混合液烘干，得到碳前軀體與氫氧化鉀的混合物。步驟1中，所述的碳前軀體為木質素磺酸鈉，所述的惰性氣體為氮氣。所述的氫氧化鉀與碳前軀體的質量比為0～4:1。步驟1中，所述碳化活化溫度為850℃，升溫速率為3～7℃min-1，并在850℃下維持1h。步驟2中，所述的鹽酸濃度為0.5～1.2mol L-1。步驟2中，所述的水洗為用去離子水或蒸餾水或熱水洗。所制備的木質素基多級孔碳材料用于吸附水中的磺胺二甲基嘧啶。有益效果：(1)本專利技術所用前驅體材料為生物質木質素磺酸鈉，來源豐富、價格低廉、變廢為寶。(2)制得的木質素基多級孔碳材料比表面積大，吸附量高、吸附速率快，性能穩定、再生重復利用性好。(3)鑒于該木質素基多級孔碳材料的高比表面積，可在吸附分離、催化劑載體等領域廣泛使用。(4)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為實施例1制備的材料的掃描電鏡圖；其中(a)和(b)為LHPC-0的掃描電鏡圖，(c)和(d)為LHPC-3的掃描電鏡圖；圖2中的(a)和(b)均為實施例1制備的材料的透射電鏡圖；圖3中，(a)為實施例1制備的材料的氮氣吸附-脫附曲線，(b)為實施例1制備的材料的孔徑分布圖，(c)為實施例1制備的材料的累積孔體積圖；圖4為實施例1制備的LHPC-3對水環境中磺胺二甲基嘧啶的吸附等溫線圖；圖5為實施例1制備的LHPC-3對水環境中磺胺二甲基嘧啶的吸附動力學圖；圖6實施例1制備的LHPC-3對水環境中磺胺二甲基嘧啶3次循環利用的吸附效果圖。具體實施方式下面結合具體實施方式對本專利技術作進一步描述：實施例1：將氫氧化鉀與木質素磺酸鈉按一定質量比充分混合，質量比依次為0:1、1:1、2:1、3:1和4:1，然后加入鎳鍋中，在氮氣保護下，在管式爐中碳化活化，溫度為850℃，升溫速率為5℃/min，維持1h。將活化產物用0.5mol L-1的鹽酸浸泡除去雜質，真空抽濾，去離子水洗至中性，干燥即得木質素基多級孔碳材料，依次標記為LHPC-0、LHPC-1、LHPC-2、LHPC-3、LHPC-4。表1為LHPC-x的孔結構參數。LHPC-1、LHPC-2、LHPC-3和LHPC-4的SBET分別是1759、2001、2235和1876m2g-1。隨著KOH用量的增大，碳材料LHPC的比表面積顯著增大，但是LHPC-4的比表面積反而降低，這是因為活化達到一定程度后以寬度活化為主，導致一部分微孔轉化為介孔或是大孔。LHPC-3的孔體積最大，達到1.512m2g-1。表1圖1中，整體而言，KOH的加入大大改變了產物形貌。LHPC-0呈現不規則顆粒狀。添加KOH進行活化后，產物趨向于形成片狀，出現卷曲的納米片，且表面結構粗糙。圖2中，是LHPC-3不同放大尺寸的TEM圖。LHPC-3含有明顯的碳納米片層結構，中間厚邊緣薄，同時分布著約百納米的類球形孔，主要是活化過程中生成K2O留下的。從高倍數放大TEM圖中看出LHPC-3中含有大量的納米級細孔，KOH活化反應形成的。圖3中，(a)顯示的是LHPC-1～4的4種材料的吸附-脫附曲線，具有典型的微孔特征，并存在一定量的介孔或大孔。從孔徑分布圖(b)和累積孔體積圖(c)可以看出，材料具有明顯的介孔和微孔結構，且隨著KOH用量的增加介孔明顯增加。圖4中，可以得出隨著濃度的升高，吸附量隨之增加，多級孔碳對磺胺二甲基嘧啶的吸附量在低濃度時增加較快，當磺胺二甲基嘧啶溶液濃度達到150mg L-1是吸附趨近于平衡，平衡吸附量高達759.5mg g-1。圖5中，可以看出，最初，隨著接觸時間的增加，吸附量迅速增加，在15min吸附速度逐漸變慢并趨于平衡，表現出超快速的吸附平衡。圖6可以看出，在3次循環利用后對磺胺二甲基嘧啶的吸附量仍然保持較高的值。實施例2：將氫氧化鉀與木質素磺酸鈉按一定質量比充分混合，質量比依次為0:1、1:1、2:1、3:1和4:1，然后加入鎳鍋中，在氮氣保護下，在管式爐中碳化活化，溫度為850℃，升溫速率為3℃/min，維持1h。將活化產物用1mol L-1的鹽酸浸泡除去雜質，真空抽濾，去離子水洗至中性，干燥即得木質素本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種木質素基多級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、氫氧化鉀活化：將氫氧化鉀與碳前軀體混合均勻，得到碳前軀體與氫氧化鉀的混合物；將碳前軀體與氫氧化鉀的混合物在惰性氣體保護下，在管式爐內進行碳化活化；步驟2、將步驟1中活化產物浸沒于鹽酸中，以除去雜質，真空抽濾，水洗滌至中性，干燥即得木質素基多級孔碳材料。

【技術特征摘要】
1.一種木質素基多級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、氫氧化鉀活化：將氫氧化鉀與碳前軀體混合均勻，得到碳前軀體與氫氧化鉀的混合物；將碳前軀體與氫氧化鉀的混合物在惰性氣體保護下，在管式爐內進行碳化活化；步驟2、將步驟1中活化產物浸沒于鹽酸中，以除去雜質，真空抽濾，水洗滌至中性，干燥即得木質素基多級孔碳材料。2.根據權利要求1所述的一種木質素基多級孔碳材料的制備方法，其特征在于，步驟1中，制備碳前軀體與氫氧化鉀的混合物的方法為：將碳前軀體固體與氫氧化鉀固體混合并研磨均勻，得到碳前軀體與氫氧化鉀的混合物；或者碳前軀體固體與氫氧化鉀固體溶解與水中，混勻，再將混合液烘干，得到碳前軀體與氫氧化鉀的混合物。3.根據權利要求1所述的一種木質素基多級孔碳材料的制備方法，其特征在于，步驟1中，所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：戴江棟，張瑞龍，何勁松，謝阿田，常忠帥，田蘇君，周志平，閆永勝，
申請(專利權)人：江蘇大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32