一种杂原子自掺杂生物质多孔碳的制备方法及其应用

摘要

本发明公开了一种杂原子自掺杂生物质多孔碳的制备方法及其应用，具体为：首先，将槐叶萍置入无水乙醇中进行超声处理，烘干，球磨，过筛，再置于水热反应釜中进行预碳化，洗涤，烘干，得到水热碳；然后将水热碳与固体KOH混合，加水浸泡后烘干，得到水热碳/KOH混合物；将水热碳/KOH混合物在氮气保护下进行碳化，碳化后减弱氮气的通入速率，同时通入CO2进行活化，自然降温，制得粗产物；最后将粗产物加入到盐酸溶液中浸泡，洗涤，干燥，得到杂原子自掺杂生物质多孔碳。本发明方法制备的杂原子自掺杂生物质多孔碳对阴离子染料和阳离子染料都具有很好的去除能力，在污水净化领域具有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于碳材料制备技术领域，具体涉及一种杂原子自掺杂生物质多孔碳的制备方法，还涉及该杂原子自掺杂生物质多孔碳的应用。

背景技术

水一直以来都是人类生存和发展最重要的资源之一。随着各种有机污染物的排放，水污染愈加严重，致使水污染问题日益受到人们的关注。合成染料是污水的主要成分，具有很强的稳定性、致癌性和致畸性，对生态环境和人类健康有极大的威胁。

生物质衍生碳因其表面积大、多孔结构发达、化学稳定性好、易于再生、来源广泛等优点，是一种修复受污染的地下水和工业废水中最有潜力的材料之一。因此，以可再生生物质为前驱体，在不使用任何其他试剂的情况下，直接制备出具有杂原子自掺杂的多孔碳是一种很有前景的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种杂原子自掺杂生物质多孔碳的制备方法，提高了杂原子自掺杂生物质多孔碳对有机污染物的吸附能力。

本发明的另一目的是提供上述杂原子自掺杂生物质多孔碳在去除废水阴离子和阳离子染料中应用。

本发明所采用的技术方案是，一种杂原子自掺杂生物质多孔碳的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将槐叶萍置入无水乙醇中进行超声处理，清洗掉可溶性杂质；

步骤2、将经步骤1后得到的槐叶萍烘干，球磨，过筛，得到槐叶萍粉末；

步骤3、将经步骤2后得到的槐叶萍粉末置于水热反应釜中进行预碳化，洗涤，烘干，得到水热碳；

步骤4、将经步骤3后得到的水热碳与固体KOH混合，所得混合物加水浸泡后烘干，得到水热碳/KOH混合物；

步骤5、将经步骤4后得到的水热碳/KOH混合物在氮气保护下进行碳化并保温一段时间，碳化后减弱氮气的通入速率，同时通入CO

步骤6、将经步骤5得到的粗产物加入到盐酸溶液中浸泡，用去离子水洗涤至滤液呈中性，干燥，得到杂原子自掺杂生物质多孔碳。

本发明的特点还在于，

步骤1中，槐叶萍与无水乙醇的质量比为1：8；超声处理时间为30min～50min。

步骤2中，球磨转速为500～700rpm，球磨时间为6～12h，烘干温度为60℃～80℃，烘干时间为12h～24h；过筛时采用100目的筛网。

步骤3中，预碳化温度为180℃～230℃，预碳化时间为10h～14h；烘干温度为100℃～120℃，烘干时间为12h～24h。

步骤4中，水热碳、固体KOH与水的质量比为5：2：50。

步骤5中，碳化温度为600℃～800℃，碳化时间为2h，保温时间为2h；活化时间为30min；氮气的通入速率为60mL/min，减弱后的氮气通入速率为20mL/min，二氧化碳的通入速率为60mL/min。

步骤6中，浸泡时间为24h，干燥温度为60℃～80℃，干燥时间为12h～14h。

本发明所采用的另一技术方案是，该杂原子自掺杂生物质多孔碳能应用在去除废水中的阴离子和阳离子染料。

本发明的有益效果是：

(1)本发明一种杂原子自掺杂生物质多孔碳的制备方法，以槐叶萍为碳前体，采用水热碳化法和高温碳化活化法制备杂原子自掺杂生物质多孔碳。该技术原料来源广泛、成本低廉、制备工艺简单，在处理染料废水中有极大的应用潜能；

(2)本发明一种杂原子自掺杂生物质多孔碳的制备方法，制备的杂原子自掺杂生物质多孔碳可对阴离子染料和阳离子染料都具有很好的去除能力，在污水净化领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明方法制备的杂原子自掺杂生物质多孔碳对亚甲基蓝染料吸附前后的吸光度曲线；

图2是本发明方法制备杂原子自掺杂生物质多孔碳对甲基橙染料吸附前后的吸光度曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种杂原子自掺杂生物质多孔碳的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将槐叶萍置入无水乙醇中进行超声处理，清洗掉可溶性杂质；

槐叶萍与无水乙醇的质量比为1：8；超声处理时间为30min～50min；

步骤2、将经步骤1后得到的槐叶萍烘干，以500～700rpm的转速球磨6～12h，过筛，得到槐叶萍粉末；

烘干温度为60℃～80℃，烘干时间为12h～24h；过筛时采用100目的筛网；

步骤3、将经步骤2后得到的槐叶萍粉末置于水热反应釜中进行预碳化，洗涤，烘干，得到水热碳；

预碳化温度为180℃～230℃，预碳化时间为10h～14h；烘干温度为100℃～120℃，烘干时间为12h～24h；

步骤4、将经步骤3后得到的水热碳与固体KOH混合，所得混合物加水浸泡后烘干，得到水热碳/KOH混合物；

水热碳、固体KOH与水的质量比为5：2：50；

步骤5、将经步骤4后得到的水热碳/KOH混合物在氮气保护下进行碳化并保温一段时间，碳化后减弱氮气的通入速率，同时通入CO

碳化温度为600℃～800℃，碳化时间为2h，保温时间为2h；

氮气的通入速率为60mL/min，减弱后的氮气通入速率为20mL/min，二氧化碳的通入速率为60mL/min；

步骤6、将经步骤5得到的粗产物加入到盐酸溶液中浸泡24h，用去离子水洗涤至滤液呈中性，干燥，得到杂原子自掺杂生物质多孔碳；

干燥温度为60℃～80℃，干燥时间为12h～14h；

本发明方法制备的杂原子自掺杂生物质多孔碳，能应用在去除染料废水有机污染物中，具体方法为：将杂原子自掺杂生物质多孔碳用来吸附废水中的甲基橙与亚甲基蓝等阴离子和阳离子染料。

实施例1

本发明一种杂原子自掺杂生物质多孔碳的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将槐叶萍置入无水乙醇中进行超声处理，清洗掉可溶性杂质；

槐叶萍与无水乙醇的质量比为1：8；超声处理时间为30min；

步骤2、将经步骤1后得到的槐叶萍烘干，以500的转速球磨6h，过筛，得到槐叶萍粉末；

烘干温度为60℃，烘干时间为24h；过筛时采用100目的筛网；

步骤3、将经步骤2后得到的槐叶萍粉末置于水热反应釜中进行预碳化，洗涤，烘干，得到水热碳；

预碳化温度为180℃，预碳化时间为14h；烘干温度为100℃，烘干时间为24h；

步骤4、将经步骤3后得到的水热碳与固体KOH混合，所得混合物加水浸泡后烘干，得到水热碳/KOH混合物；

水热碳、固体KOH与水的质量比为5：2：50；

步骤5、将经步骤4后得到的水热碳/KOH混合物在氮气保护下进行碳化并保温一段时间，碳化后期减弱氮气的通入量，同时通入CO

碳化温度为600℃，碳化时间为2h，保温时间为2h；

氮气的通入速率为60mL/min，减弱后的氮气通入速率为20mL/min，二氧化碳的通入速率为60mL/min；

步骤6、将经步骤5得到的粗产物加入到盐酸溶液中浸泡24h，用去离子水洗涤至滤液呈中性，干燥，得到杂原子自掺杂生物质多孔碳；

干燥温度为60℃，干燥时间为14h。

图1是实施例1制备的杂原子自掺杂生物质多孔碳对亚甲基蓝染料吸附前后的吸光度曲线，可以看出生物质多孔碳吸附甲基蓝染料后，吸光度曲线近似乎水平直线。

图2是实施例1制备的杂原子自掺杂生物质多孔碳对甲基橙染料吸附前后的吸光度曲线，可以看出杂原子自掺杂生物质多孔碳吸附甲基橙染料后，吸光度曲线几乎为水平直线。图2表明该材料对一阳离子染料和阴离子染料都有较高的吸附性能。

用实施例1制备的杂原子自掺杂生物质多孔碳去吸附亚甲基蓝、甲基橙以及亚甲基与甲基橙的混合溶液，发现该样品对甲基橙的去除率为99.55％，对亚甲基蓝的去除率为99.75％。在亚甲基蓝以及甲基橙的混合溶液中对亚甲基蓝以及甲基橙的去除率分别达到99.56％，99.35％。表明的杂原子自掺杂生物质多孔碳对阴离子染料和阳离子染料都有较高的吸附能力。高去除率的原因一方面是因为KOH活化使得杂原子自掺杂生物质多孔碳具有高度发达的孔隙度和部分介孔，为锚定染料提供了丰富的吸附位点；另一方面是因为杂原子自掺杂生物质多孔碳三维互联的层次化多孔结构，使得比表面积大，孔径分布合适，促进了染料分子的扩散；此外，该多孔碳材料还含有丰富的官能团可以与染料分子之间发生π-π相互作用，静电相互作用以及氢键等，增强了杂原子自掺杂生物质多孔碳对有机染料的吸附能力。

实施例2

本发明一种杂原子自掺杂生物质多孔碳的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将槐叶萍置入无水乙醇中进行超声处理，清洗掉可溶性杂质；

槐叶萍与无水乙醇的质量比为1：8；超声处理时间为40min；

步骤2、将经步骤1后得到的槐叶萍烘干，以700rpm的转速球磨10h，过筛，得到槐叶萍粉末；

烘干温度为70℃，烘干时间为13h；过筛时采用100目的筛网；

步骤3、将经步骤2后得到的槐叶萍粉末置于水热反应釜中进行预碳化，洗涤，烘干，得到水热碳；

预碳化温度为200℃，预碳化时间为13h；烘干温度为110℃，烘干时间为13h；

步骤4、将经步骤3后得到的水热碳与固体KOH混合，所得混合物加水浸泡后烘干，得到水热碳/KOH混合物；

水热碳、固体KOH与水的质量比为5：2：50；

步骤5、将经步骤4后得到的水热碳/KOH混合物在氮气保护下进行碳化并保温一段时间，碳化后期减弱氮气的通入量，同时通入CO

碳化温度为700℃，碳化时间为2h，保温时间为2h；

氮气的通入速率为60mL/min，减弱后的氮气通入速率为20mL/min，二氧化碳的通入速率为60mL/min；

步骤6、将经步骤5得到的粗产物加入到盐酸溶液中浸泡24h，用去离子水洗涤至滤液呈中性，干燥，得到杂原子自掺杂生物质多孔碳；

干燥温度为70℃，干燥时间为13h。

实施例3

本发明一种杂原子自掺杂生物质多孔碳的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将槐叶萍置入无水乙醇中进行超声处理，清洗掉可溶性杂质；

槐叶萍与无水乙醇的质量比为1：8；超声处理时间为50min；

步骤2、将经步骤1后得到的槐叶萍烘干，以500～700rpm的转速球磨6～12h，过筛，得到槐叶萍粉末；

烘干温度为80℃，烘干时间为24h；过筛时采用100目的筛网；

步骤3、将经步骤2后得到的槐叶萍粉末置于水热反应釜中进行预碳化，洗涤，烘干，得到水热碳；

预碳化温度为220℃，预碳化时间为14h；烘干温度为120℃，烘干时间为12h；

步骤4、将经步骤3后得到的水热碳与固体KOH混合，所得混合物加水浸泡后烘干，得到水热碳/KOH混合物；

水热碳、固体KOH与水的质量比为5：2：50；

步骤5、将经步骤4后得到的水热碳/KOH混合物在氮气保护下进行碳化并保温一段时间，碳化后减弱氮气的通入速率，同时通入CO

碳化温度为800℃，碳化时间为2h，保温时间为2h；氮气的通入速率为60mL/min，减弱后的氮气通入速率为20mL/min，二氧化碳的通入速率为60mL/min；

步骤6、将经步骤5得到的粗产物加入到盐酸溶液中浸泡24h，用去离子水洗涤至滤液呈中性，干燥，得到杂原子自掺杂生物质多孔碳；

干燥温度为80℃，干燥时间为12h。

本发明一种杂原子自掺杂生物质多孔碳的制备方法中，杂原子自掺杂生物质多孔碳对阴离子染料和阳离子染料的吸附机理是：(1)碳材料和染料与生物碳表面可能存在π-π相互作用，有利于染料的吸附；(2)杂原子自掺杂生物质多孔碳和染料与生物碳表面可能存在氢键；(3)杂原子自掺杂生物质多孔碳和染料表面可能存在静电相互作用。

本发明以槐叶萍为前驱体，采用水热碳化和高温碳化制备一种杂原子自掺杂生物质多孔碳，作为染料的吸附剂。该技术原料来源广泛、成本低廉、制备工艺简单，在去除染料方面具有极大的应用潜能。