一種多孔碳吸附劑及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多孔碳吸附劑及其制備方法與應(yīng)用，屬于吸附材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 飲用水安全是關(guān)系居民身體健康，生命安全的最基本民生問題之一。雖然我國(guó)地 表水資源豐富，居世界第六位，但是人均占有量?jī)H為世界平均水平的1/4,此外，由于我國(guó)水 資源分布不均衡，水體污染加劇，使有些地區(qū)合格的飲用水資源十分有限，這對(duì)人們的正常 生活，經(jīng)濟(jì)發(fā)展都會(huì)帶來影響。許多地方的地表飲用水水源長(zhǎng)期為III~IV類水體，有時(shí)甚至 達(dá)不到IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。飲用水安全問題在農(nóng)村，偏遠(yuǎn)不發(fā)達(dá)地區(qū)尤為嚴(yán)重，因?yàn)檫@些地方生 活基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)落后，水質(zhì)成分復(fù)雜，污染物種類，含量差別大，造成污染的原因不盡相同， 給處理方法和技術(shù)設(shè)備提出了很多新的挑戰(zhàn)。
[0003] 飲用水常規(guī)處理工藝包括混凝，沉淀，過濾，消毒等，但是很多地區(qū)的水源經(jīng)過常 規(guī)處理仍然無法達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)，為此需要增加深度處理工藝，應(yīng)用較廣泛的深度處理技術(shù) 包括：活性炭吸附，臭氧氧化，膜分離技術(shù)等，其中活性炭吸附是去除水中污染物最有效，最 成熟的處理技術(shù)?；钚蕴繉?duì)水中多種污染物有廣泛的去除作用，可以有效除去引起水臭的 物質(zhì)，對(duì)芳香族化合物，各種農(nóng)藥也有很好的吸附能力，對(duì)重金屬離子，如汞，六價(jià)鉻，鎘，鉛 也有較好的吸附能力。但是活性炭對(duì)水中陰離子型污染物，如氟離子，砷酸根的吸附效果不 是很好，因?yàn)榛钚蕴恳话惚憩F(xiàn)為疏水性，在水中帶微量的負(fù)電荷，根據(jù)靜電作用，將會(huì)對(duì)陰 離子型的污染物產(chǎn)生排斥。加上有些陰離子活性低，和活性炭之間的相互作用太弱而無法 有效去除。
[0004] 在之前的報(bào)道和研究工作的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，氧化鎂是一種優(yōu)異的水處理材料，如專 利CN102649575A中公布了一種氧化鎂材料的制備，并用作吸附水中鉛，鎘重金屬離子 方面的應(yīng)用。文南犬（PorousHierarchicallyMicr〇-/NanostructuredMgO:Morphology ControlandTheirExcellentPerformanceinAs(III)andAs(V)Removal.J.Phys. Chem.C，2011，115, 22242 - 22250)中報(bào)道的花狀氧化鎂材料對(duì)砷酸根具有很好的吸附性 會(huì)泛，文南犬(Highyieldcombustionsynthesisofnanomagnesiaanditsapplicationfor fluorideremoval.ScienceoftheTotalEnvironment, 408 (2010) ,2273 - 2282)中報(bào)道 的氧化鎂材料可以吸附水中的氟離子。但是這些報(bào)道都是用單一組分的氧化鎂為吸附劑， 且制備過程復(fù)雜，原料價(jià)格較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種多孔碳吸附劑及其制備方法與應(yīng)用。本發(fā)明多孔碳吸附 劑的吸附效果好，能處理低濃度的污染水樣，制備原料廉價(jià)，制備方法簡(jiǎn)單。
[0006] 本發(fā)明提供的多孔碳吸附劑，該吸附劑的活性成分為無定型碳和金屬氧化物；
[0007] 所述無定型碳和所述金屬氧化物的質(zhì)量比為1~10 :1。
[0008] 本發(fā)明中，所述無定型碳和所述金屬氧化物的質(zhì)量比具體可為4 :1、1 :1或1~4: Ιο
[0009] 上述的吸附劑中，所述吸附劑的表觀形態(tài)為納米片堆積組成的三維多孔結(jié)構(gòu)；
[0010] 所述金屬氧化物均勻分布在所述無定型碳中；
[0011] 所述金屬氧化物為氧化鎂、氧化1丐、氧化鐵、氧化鋁、氧化鋪和氧化鑭中的至少一 種；
[0012] 所述吸附劑的比表面積可為10~1000m2/g，具體可為346. 4m2/g、175. 0m2/g或 175. 0 ~346. 4m2/g。
[0013] 本發(fā)明還提供了上述多孔碳吸附劑的制備方法，包括以下步驟：將天然高分子材 料在硝酸鹽水溶液中浸漬，然后烘干、碳化，即得到多孔碳吸附劑。
[0014] 上述的方法中，所述天然高分子材料為纖維素、木質(zhì)素和殼聚糖中的至少一種；
[0015] 所述硝酸鹽為硝酸鎂、硝酸鈣、硝酸鐵、硝酸鋁、硝酸鈰和硝酸鑭中的至少一種。
[0016] 本發(fā)明中，所述天然高分子材料加入到所述硝酸鹽水溶液中浸漬時(shí)，采用邊加入 邊攪拌的方式，加入完畢后仍攪拌混合，直至所述天然高分子材料浸漬吸水，溶于水中的硝 酸鹽也被吸收到所述天然高分子材料中，變?yōu)檎扯却蟮臐{料；
[0017] 將漿料烘干時(shí)，可以放入不同形狀的模具中，如片狀、顆粒狀或塊狀，然后進(jìn)行碳 化，得到的所述多孔碳吸附劑即具有不同的形狀，所述多孔碳吸附劑形狀具體為片狀、顆粒 狀或塊狀。
[0018] 上述的方法中，所述天然高分子材米用樹木、棉花、猜桿、椰殼和稻殼中至少一種 原料進(jìn)行制備；
[0019] 所述天然高分子材料的粒徑可為1μm~1cm，具體可為5~10μm;
[0020] 所述硝酸鹽水溶液中硝酸鹽與水的質(zhì)量體積比可為（lg~5g) :20ml，具體可為 lg：20ml；
[0021] 所述天然高分子材料與所述硝酸鹽的質(zhì)量比為1~20 :1，具體可為10:1、2:1或 2 ~10:1〇
[0022] 上述的方法中，所述浸漬的溫度可為10~30°C，具體可為25°C;
[0023] 所述浸漬的時(shí)間可為不小于lh，具體可為12h或12~36h。
[0024]上述的方法中，所述烘干的溫度可為50~100°C，具體可為80°C;
[0025] 所述烘干的時(shí)間可為1~24h，具體可為12h;
[0026] 所述碳化的溫度可為500~1000°C，具體可為800°C;
[0027] 所述碳化的溫度升溫的速率可為1~10° /min，具體可為5° /min;
[0028] 所述碳化的時(shí)間可為1~12h，具體可為2h。
[0029] 上述的方法中，所述碳化時(shí)通入惰性氣體；
[0030] 所述惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤狻?br>[0031] 本發(fā)明所述多孔碳吸附劑在吸附重金屬離子和/或陰離子無機(jī)污染物處理中的 應(yīng)用。
[0032] 上述的應(yīng)用，所述處理為水處理；
[0033] 所述重金屬離子為砷、鉛、鎘和汞中的至少一種；
[0034] 所述陰離子無機(jī)污染物為氟離子、氯離子和磷酸根離子中的至少一種。
[0035] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0036] 本發(fā)明將鎂、鋁或其他的廉價(jià)的三價(jià)金屬離子修飾到活性炭基質(zhì)中，得到多組分 的吸附劑，本發(fā)明具有優(yōu)良吸附效果的同時(shí)，還增強(qiáng)對(duì)陰離子無機(jī)污染物的吸附效果。本 發(fā)明以天然廉價(jià)的高分子材料為碳源，在活性炭的制備工藝中改進(jìn)性的將金屬離子修飾進(jìn) 去，得到了均勻分布的金屬氧化物修飾的多孔碳吸附劑，并且可以方便的加工成各種形狀， 便于使用；在對(duì)低濃度的污染水樣的測(cè)試中，其吸附效果明顯優(yōu)于商品化的活性炭吸附劑， 而且可利用秸桿，稻殼，椰殼等農(nóng)業(yè)廢棄物，不僅成本低廉，而且變廢為寶。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中多孔碳吸附劑的掃描電子顯微鏡（SEM)圖像，其中圖 1 (a)為大范圍掃描的SEM圖像，圖1 (b)為小范圍掃描的SEM圖像。
[0038] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中多孔碳吸附劑的粉末X射線衍射（XRD)圖譜。
[0039] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中多孔碳吸附劑的氮?dú)馕摳角€。
[0040] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例2中多孔碳吸附劑的掃描電子顯微鏡（SEM)圖像，其中圖 4(a)為大范圍掃描的SEM圖像，圖4(b)為小范圍掃描的SEM圖像。
[0041] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例2中多孔碳吸附劑的透射電子顯微鏡（TEM)-元素分布圖像， 其中圖5(a)為TEM圖像，圖5(b)為C元素分布圖像，圖5(c)為Mg元素分布圖像，圖5(d) 為0元素分布圖像。
[0042] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例2中多孔碳吸附劑的粉末X射線衍射（XRD)圖譜。
[0043] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例2中多孔碳吸附劑的氮?dú)馕摳角€。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。
[0045] 下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。
[0046] 下述實(shí)施例中實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表征，按照如下方法測(cè)定：
[0047](1)掃描電子顯微鏡（SEM)
[0048] 將樣品碾磨粉碎后分散在乙醇中，滴加在單晶硅片上，待乙醇揮發(fā)干后，在掃描電 鏡JE0L-6701F上觀察，加速電壓為10kv。
[0049] (2)透射電子顯微鏡（TEM)
[0050] 透射電鏡圖像和高分辨像在JE0L-2100F上觀察，加速電壓為200kv，樣品在乙醇 中分散后滴在噴有碳膜的銅網(wǎng)上。
[0051 ] (3)粉末X射線衍射（XRD)
[0052] X射線衍射在Shimadzu7000S上測(cè)試，掃描速度為4° /min，加速電壓40