CN103949209A - 一种植物基炭材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植物基炭材料及其制备方法，属于炭材料技术领域。一种植物基炭材料，是将提取果胶后的葵花盘经过炭化、活化后制得的，其中活化时是使用蒸馏水和浓氨水进行的。制备步骤为：将提取果胶后的葵花盘进行洗涤、干燥、粉碎，制得原料；将原料置于炭化炉内，在N2保护条件下从室温以3℃/min的速率升温到400℃，再从400℃以1℃/min的速率升到600℃～800℃，制得炭化料；将炭化料在600℃～800℃条件下活化120min，冷却后即得成品。本发明以提取果胶后的葵花盘为原料制得孔结构单一的微孔炭材料，制备方法简单，产品成本低廉，对铜离子有很好的吸附能力。
Description
技术领域
本发明属于炭材料技术领域，涉及一种植物基炭材料及其制备方法。
背景技术
重金属既可以直接进入水体和土壤造成各类环境要素的直接污染，也可以在水体和土壤中相互迁移，造成各类环境要素的间接污染。由于重金属不能被微生物降解，在环境中只能发生各种形态之间的相互转化，所以重金属污染的消除往往更为困难。例如铜摄入过量，轻则会刺激消化系统，重则在身体中蓄积，会造成溶血性贫血、肝和肾坏死、神经失常、红细胞破裂，甚至死亡。因此选择合适的方法去除重金属离子显得尤其重要。
现有去除重金属离子主要的方法有化学沉淀法，氧化还原处理法，溶剂萃取分离法，膜分离法，离子交换处理法，生物处理法等。其中吸附法作为重要的物理化学方法，在重金属去除方面有着广泛的应用。而活性炭是最常用的吸附剂。
影响活性炭性质的一个重要因素是原料。常用的制备活性炭的碳质材料包括有机高分子聚合物、植物类和煤及煤的衍生物三大类。其中植物类原料具有成本低、无污染、易得到的优点，而利用废弃的植物类原料来制备活性炭更具有变废为宝的优点。
葵花盘作为一种生物质原料有着很高的含氮量，而用提取果胶后的废弃葵花盘为原料制备炭材料，更可达到变废为宝的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以葵花盘为原料制作的植物基炭材料。
本发明的另一个目的在于提供该植物基炭材料的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种植物基炭材料，是将提取果胶后的葵花盘经过炭化、活化后制得的，其中活化时是使用蒸馏水和浓氨水进行的。
该植物基炭材料的制备方法，步骤为：
（1）原料的处理：将提取果胶后的葵花盘进行洗涤、干燥、粉碎，制得原料；
（2）炭化：将原料置于炭化炉内，在N2保护条件下从室温以3℃/min的速率升温到400℃，再从400℃以1℃/min的速率升到600℃～800℃，制得炭化料；
（3）活化：将炭化料在600℃～800℃条件下活化120min，在N2保护条件下冷却至60℃时，即得成品。
进一步地，活化时使用蒸馏水或者浓氨水进行活化。 本发明在将提取果胶后的葵花盘炭化后，选择用水蒸气和浓氨水来活化，以增加成品的比表面积，在炭材料表面引入官能团。将炭化料定义为KH，将经蒸馏水活化制得的成品定义为KH-H2O，将经浓氨水活化制得的成品定义为KH-NH3，KH的比表面积比较小， KH-H2O和KH-NH3的比表面积增大，但是 KH-NH3对Cu2+的吸附却明显大于800KH-H2O的。
图1、2、3分别为KH、KH-H2O、KH-NH3三种不同炭材料的孔容-孔径微分分布曲线，从图中可以看出， KH、KH-H2O和KH-NH3的孔径主要集中在2.293nm、1.901nm和1.927nm，表明该种炭材料具有单一的纳米微孔结构。
由图4为KH、KH-H2O、KH-NH3的红外谱图，从图中可以看出，三种材料的红外吸收谱图基本相似。
图5为KH-H2O和KH-NH3对金属离子Cu2+的吸附动力学曲线，从图中可以看出KH-H2O对Cu2+吸附达到平衡的时间较快，吸附10 h达到平衡，KH-NH3吸附Cu2+ 在12 h达到平衡，这主要是因为KH-H2O对Cu2+的吸附主要是孔道的物理吸附，而KH-NH3对Cu2+的吸附除了有孔道的物理吸附还有表面含氮官能团的络合吸附即化学吸附，其中KH-H2O和KH-NH3对Cu2+的最大吸附量分别达到79.65mg·g-1和128.9mg·g-1。
图6、图7分别为KH-H2O和KH-NH3在不同温度下对金属离子Cu2+的等温吸附曲线，从图6，图7可以看出，随着温度的升高，两种炭材料对Cu2+离子的吸附均有所增加，将20℃下的数据用Langmuir等温吸附方程进行拟合，得到图8，从图8可以看出，两种炭材料对Cu2+离子的吸附符合Langmuir等温吸附模型。
使用盐酸，NH4NO3-NH3·H2O及NaAc-HAc缓冲溶液调节试样溶液的pH值，考察溶液pH值对KH-H2O和KH-NH3吸附性能的影响，图9与图10为不同pH值下KH-H2O和KH-NH3对金属离子Cu2+的等温吸附曲线， 从图中可以看出，随着pH的增大，KH-H2O和KH-NH3对Cu2+离子的吸附均增大，而且pH对KH-NH3的吸附效果影响更显著，这是由于随着pH的增大，氢离子的竞争效应减弱，对金属离子的吸附作用增强；当pH=4.0时，KH-H2O 对Cu2+吸附容量为79.65mg·g-1，KH-NH3对Cu2+的吸附容量为124.45mg·g-1。
本发明以提取果胶后的葵花盘为原料制得孔结构单一的微孔炭材料，制备方法简单，产品成本低廉，对铜离子有很好的吸附能力，达到了以废治废的目的。
附图说明
图1为KH的孔容-孔径微分分布曲线；
图2为KH-H2O的孔容-孔径微分分布曲线；
图3为KH-NH3的孔容-孔径微分分布曲线；
图4 为KH、KH-H2O、KH-NH3的红外吸收光谱图；
图5为 KH-H2O和KH-NH3对Cu2+的吸附动力学曲线；
图6为KH-H2O对Cu2+离子的等温吸附线；
图7为KH-NH3对Cu2+离子的等温吸附线；
图8 为朗格缪尔拟合直线；
图9 为不同pH条件下KH-H2O对Cu2+的等温吸附线；
图10 为不同pH条件下KH-NH3对Cu2+的等温吸附线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种植物基炭材料的制备方法，步骤为：
以提取果胶后的葵花盘为原料，对其进行洗涤、干燥和粉碎等预处理，标记为KH-0，置于炭化炉内进行炭化处理，并通入一定量的N2进行保护，用温控仪控制升温速率，从20℃室温以3℃/min的速率升温到400℃，再从400℃以1℃/min的速率升到700℃，在700℃下保温120min，得到700KH；
在700℃下通蒸馏水活化120min，冷却至60℃时，从炭化炉中取出孔结构比较均匀的微孔炭材料700KH-H2O，成品比表面积为224.60315m2·g-1，最可几孔径为1.900nm。
实施例2
一种植物基炭材料的制备方法，步骤为：
以提取果胶后的葵花盘为原料，对其进行洗涤、干燥和粉碎等预处理，标记为KH-0，置于炭化炉内进行炭化处理，并通入一定量的N2进行保护，用温控仪控制升温速率，从20℃室温以3℃/min的速率升温到400℃，再从400℃以1℃/min的速率升到700℃，在700℃下保温120min，得到700KH；
在700℃下分别通浓氨水活化120min，由700℃冷却至60℃时，从炭化炉中取出得到700KH-NH3，比表面积为207.88938 m2·g-1，最可几孔径为1.888nm。
实施例3
一种植物基炭材料的制备方法，步骤为：
以提取果胶后的葵花盘为原料，对其进行洗涤、干燥和粉碎等预处理，标记为KH-0，置于炭化炉内进行炭化处理，并通入一定量的N2进行保护，用温控仪控制升温速率，从20℃室温以3℃/min的速率升温到400℃，再从400℃以1℃/min的速率升到800℃，在800℃下保温120min，得到800KH；
在800℃下通蒸馏水活化120min，由800℃冷却至60℃时，从炭化炉中取出，得到800KH-H2O，比表面积分别为370.614 m2·g-1。
实施例4
一种植物基炭材料的制备方法，步骤为：
以提取果胶后的葵花盘为原料，对其进行洗涤、干燥和粉碎等预处理，标记为KH-0，置于炭化炉内进行炭化处理，并通入一定量的N2进行保护，用温控仪控制升温速率，从20℃室温以3℃/min的速率升温到400℃，再从400℃以1℃/min的速率升到800℃，在800℃下保温120min，得到800KH；
在800℃下通浓氨水活化120min，由800℃冷却至60℃时，从炭化炉中取出，得到800KH-NH3，比表面积分别为311.792 m2·g-1 。
实施例5
一种植物基炭材料的制备方法，步骤为：
以提取果胶后的葵花盘为原料，对其进行洗涤、干燥和粉碎等预处理，标记为KH-0，置于炭化炉内进行炭化处理，并通入一定量的N2进行保护，用温控仪控制升温速率，从20℃室温以3℃/min的速率升温到400℃，再从400℃以1℃/min的速率升到600℃，在600℃下保温120min，得到600KH；
在600℃下通蒸馏水活化120min，由600℃冷却至60℃时，从炭化炉中取出，得到600KH-H2O，比表面积为100.92668，最可几孔径为2.747nm。
实施例6
一种植物基炭材料的制备方法，步骤为：
以提取果胶后的葵花盘为原料，对其进行洗涤、干燥和粉碎等预处理，标记为KH-0，置于炭化炉内进行炭化处理，并通入一定量的N2进行保护，用温控仪控制升温速率，从20℃室温以3℃/min的速率升温到400℃，再从400℃以1℃/min的速率升到600℃，在600℃下保温120min，得到600KH；
在600℃下通浓氨水活化120min，由600℃冷却至60℃时，从炭化炉中取出，得到600KH-NH3，比表面积为107.28612 m2·g-1，最可几孔径为2.298nm。
实施例7
一种植物基炭材料的制备方法，步骤为：
以提取果胶后的葵花盘为原料，对其进行洗涤、干燥和粉碎等预处理，标记为KH-0，置于炭化炉内进行炭化处理，并通入一定量的N2进行保护，用温控仪控制升温速率，从20℃室温以3℃/min的速率升温到400℃，再从400℃以1℃/min的速率升到650℃，在600℃下保温120min，得到650KH；
在650℃下通蒸馏水活化120min，得到650KH-H2O，待冷却至60℃时，从炭化炉中取出，比表面积为172.36448m2·g-1，最可几孔径为2.051nm。
实施例8
一种植物基炭材料的制备方法，步骤为：
以提取果胶后的葵花盘为原料，对其进行洗涤、干燥和粉碎等预处理，标记为KH-0，置于炭化炉内进行炭化处理，并通入一定量的N2进行保护，用温控仪控制升温速率，从20℃室温以3℃/min的速率升温到400℃，再从400℃以1℃/min的速率升到650℃，在650℃下保温120min，得到650KH；
在650℃下通浓氨水活化120min得到650KH-NH3，待冷却至60℃时，从炭化炉中取出，比表面积为168.47391 m2·g-1，最可几孔径为1.987nm。
实施例9
一种植物基炭材料的制备方法，步骤为：
以提取果胶后的葵花盘为原料，对其进行洗涤、干燥和粉碎等预处理，标记为KH-0，置于炭化炉内进行炭化处理，并通入一定量的N2进行保护，用温控仪控制升温速率，从20℃室温以3℃/min的速率升温到400℃，再从400℃以1℃/min的速率升到750℃，在750℃下保温120min，得到750KH；
在750℃下通蒸馏水活化120min，得到750KH-H2O，待冷却至60℃时，从炭化炉中取出，比表面积为312.83165m2·g-1，最可几孔径为1.901nm。
实施例10
以提取果胶后的葵花盘为原料，对其进行洗涤、干燥和粉碎等预处理，标记为KH-0，置于炭化炉内进行炭化处理，并通入一定量的N2进行保护，用温控仪控制升温速率，从20℃室温以3℃/min的速率升温到400℃，再从400℃以1℃/min的速率升到750℃，在750℃下保温120min，得到750KH；
在750℃下通浓氨水活化120min，得到750KH-NH3，待冷却至60℃时，从炭化炉中取出，比表面积为278.1493 m2·g-1 ，最可几孔径为1.901nm。
Claims (3)
1.一种植物基炭材料，其特征在于，是将提取果胶后的葵花盘经过炭化、活化后制得的，其中活化时是使用蒸馏水和浓氨水进行的。
2.权利要求1所述的植物基炭材料的制备方法，其特征在于，步骤为：
（1）原料的处理：将提取果胶后的葵花盘进行洗涤、干燥、粉碎，制得原料；
（2）炭化：将原料置于炭化炉内，在N2保护条件下从室温以3℃/min的速率升温到400℃，再从400℃以1℃/min的速率升到600℃～800℃，制得炭化料；
（3）活化：将炭化料在600℃～800℃条件下活化120min，在N2保护条件下冷却至60℃时，即得成品。
3.根据权利要求2所述的植物基炭材料的制备方法，其特征在于，活化时使用蒸馏水或者浓氨水进行活化。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140730 |