一种金属盐催化低温水热法制备碳微球吸附剂的方法技术

技术编号:15101920 阅读:150 留言:0更新日期:2017-04-08 11:39
本发明专利技术公开了一种金属盐催化低温水热法制备碳微球吸附剂的方法,包括以下步骤:(1)配制浓度为2~20wt%的生物质溶液,浓度为0.5~2wt%的金属盐溶液;然后将生物质溶液和金属盐溶液按质量比2~5:1混合在一起,搅拌5~10分钟,得到反应溶液;(2)将反应溶液转移至不锈钢反应釜,其中反应溶液占反应釜容积的60~80%,然后以一定的升温速率升温到100~160℃,恒温反应8~20小时后,经自然冷却、分离、真空干燥,得到水热碳微球;(3)将水热碳微球在空气气氛中焙烧碳化,得到碳微球吸附剂。该吸附剂制备工艺简单、能耗低、反应时间缩短至24小时以内,具有对部分阳离子,尤其是铀酰离子的高吸附性能,且吸附剂具备优良的抗辐射性、热稳定性和酸稳定性,可广泛用于放射性废水处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物质资源利用和生物质吸附材料
,具体涉及一种金属盐催化低温水热法制备碳微球吸附剂的方法
技术介绍
节能、环保、核能开发和利用早已经深受中国,乃至全世界的高度重视。核工业产生的放射性废水对生态环境的破坏除了化学毒性之外,还有放射性的影响,对植物和人类的生存和发展构成严重的威胁。因此开发新材料和新技术来处理废水中铀酰离子具有现实意义。和化学沉淀法、离子交换法、膜法等方法相比,使用吸附法来去除废水中的铀酰离子具有成本低廉、吸附剂易重复利用等优点。水热碳吸附剂用于处理含铀废水时与大多数吸附材料相比,具备优良的抗辐射性、热稳定性和酸稳定性。但是目前水热碳化法制备碳吸附剂要求的反应温度较高(大于180℃)、反应时间较长(一般为数天)。为了解决制备吸附剂温度高、时间长的缺点,在制备过程中添加催化剂,可有效解决上述问题,从而降低了能耗、提高了水热碳吸附剂的生产效率。例如,专利文献CN104649246A公开了“一种生物质碳微/纳米球的低温水热制备方法,其采用碱催化或路易斯酸/质子酸催化生物质一锅低温水热碳化的生物质碳制备方法,这种技术方案,过程复杂,催化剂成分添加复杂,不利于碳微球的进一步拓展利用。目前采用较低温度制备水热碳微球的生物质原料主要是果糖溶液,但是来源受限,不利于工业化应用;采用葡萄糖溶液作为碳源,水热温度180~220℃,反应时间大于24小时;采用其他生物质原料作为碳源,水热温度大于220℃,反应时间大于24小时。生物质原料资源丰富、可再生、毒性小,制备成水热碳微球吸附剂具有稳定性好、耐放射性、耐高温等特性。水热碳微球吸附剂表面含有丰富的含氧官能团(-COOH、-OH等),与金属阳离子(如La、Ce、Sm、Gd等),尤其是与铀酰离子(UO22+)能够形成螯合作用,进而达到除去废水中铀的效果,有望高效、规模化地制备出一种环境友好、低能耗的水热碳微球吸附剂。
技术实现思路
作为各种广泛且细致的研究和实验的结果,本专利技术的专利技术人已经发现,采用生物质和金属盐为原料,以低温水热法制备的碳微球吸附剂,粒径大小为几微米,微球形貌规整、表面光滑,表面富含-COOH和-OH等官能团,使其能够高效吸附废水中铀酰离子。基于这种发现,完成了本专利技术。本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷,并提供至少后面将说明的优点。为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点,提供了一种金属盐催化低温水热法制备碳微球吸附剂的方法,包括以下步骤:步骤一、取生物质原料配制浓度为2~20wt%的生物质溶液,取金属盐配制浓度为0.5~2wt%的金属盐溶液;然后将生物质溶液和金属盐溶液按质量比2~5:1混合在一起,搅拌5~10分钟,得到反应溶液;步骤二、将反应溶液转移至不锈钢反应釜,其中反应溶液占反应釜容积的60~80%,然后以一定的升温速率升温到100~160℃,恒温反应8~20小时后,经自然冷却、分离、真空干燥,得到水热碳微球;步骤三、将水热碳微球在空气气氛中焙烧碳化,得到碳微球吸附剂。优选的是,所述步骤一中,生物质原料为葡萄糖、果糖、淀粉、菊粉、木质纤维素中的任意一种。优选的是,所述步骤一中,金属盐为CrCl3、SnCl4、WCl4、B(OH)3、AlCl3中的任意一种。优选的是,所述步骤二中,升温速率为0.1~10℃/min,真空干燥温度为50~100℃。优选的是,所述步骤三中,水热碳微球在空气气氛中的焙烧碳化温度为250~600℃,时间为0.5~5h,升温速率为0.1~10℃/min。优选的是,所述生物质原料为改性菊粉,所述改性菊粉的制备方法为:将菊粉加入去离子水中,加热配制成10~15wt%的菊粉溶液,按重量份,取菊粉溶液100~300份,用盐酸调节pH值至3~4,用750W微波处理10~30min;然后加入1~3mol/L的尿素溶液,将pH值调至6~7,得到酸解菊粉溶液;取10~20份对苯二甲酸,与80~100份N,N-二甲基乙酰胺混合,再加入20~30份的酸解菊粉溶液和3~5份吡啶混合,将混合物料升温至75~85℃并在此温度下搅拌反应5~10小时,得到反应后混合物;将反应后混合物冷却至室温后,过滤,滤液经硫酸镁干燥、再经蒸馏除去有机溶剂后得到菊粉酯化产物;取菊粉酯化产物10~15份,溶解在80~100份N,N-二甲基乙酰胺中,在溶解完全的菊粉酯化产物溶液中加入5~8份三聚氰胺,所得混合溶液在150~180℃条件下回流反应3~5小时后自然冷却至室温,过滤得到固体产物,使用甲醇将所得固体产物洗涤3~5次后,烘干至恒重,得到改性菊粉。优选的是,所述改性菊粉配制的改性菊粉溶液的溶剂为体积比为1:1~3的N,N-二甲基甲酰胺和丙酮。优选的是,所述步骤一中,将得到的反应溶液置于超声波分散仪中超声30~60min,超声功率的调节范围在600~1800W,超声频率在25~50KHz。优选的是,所述步骤三中焙烧碳化的过程为:将得到的水热碳微球加入旋转焙烧炉中,以0.1~10℃/min的速度微波加热升温至100~200℃,保温10~20min,然后以0.1~10℃/min的速度微波加热升温至300~400℃,保温1~2h,然后以0.1~10℃/min的速度微波加热升温至500~600℃,保温2~3h,得到碳微球吸附剂;所述微波加热的频率为915MHz;优选的是,所述旋转焙烧炉的旋转速度为10~15r/min。本专利技术步骤一中采用的生物质原料的浓度为2~20wt%,在此浓度下,能够促进水热碳化过程中顺利成核及碳核生长,最终生成稳定的、形貌规整、结构均一的微米级碳球。如果浓度低于该范围,不便于大规模生产,如果浓度高于该范围,则会影响碳微球形貌的规整性和表面的官能团数量。本专利技术步骤一中采用金属盐的目的是能够起到催化作用,生物质原料水热碳化过程分为以下几个阶段:(1)前驱体水解成单体,体系PH值下降;(2)单体脱水并诱发聚合反应;(3)芳构化反应导致最终产物的形成。其中在(1)中体系PH值下降,是由于某些单体分解产生有机酸,且这些酸产生的自由氢离子将对脱水和碳架裂解反应生成可溶性产物。在反应温度较低的情况下,一些抗水解的生物质原料根本无法进行水解成单体,也就没有有机酸生成,通过外加金属盐作为催化剂,有效促进生物质发生脱水反应,生成5-羟甲基糠醛等活性较高的成分,进而达到低温下生成碳材料的目的。本专利技术步骤二中采用真空干燥的方法,是为了保护水热碳微球表面的含氧官能团。本专利技术步骤三中采用在空气气氛中焙烧碳化的目的是,增加水热碳微球表面的含氧官能团数量,同时经过稍高于水热反应的温度,达到硬化水热碳微球的目的,最终得到水热碳微球吸附剂。本专利技术至少包括以下有益效果:(1)本专利技术以生物质原料、金属盐为催化剂,合成了水热碳微球吸附剂,该吸附剂处理废水后,可多次重复使用,使用废弃后,易处置。(2)通过加入金属盐作为催化剂催化生物质在低温(100~160℃)下发生脱水反应,并通过碳化制备碳微球吸附剂,加入的金属盐催化剂成分单一本文档来自技高网
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一种金属盐催化低温水热法制备碳微球吸附剂的方法

【技术保护点】
一种金属盐催化低温水热法制备碳微球吸附剂的方法,其特征在于:包括以下步骤:步骤一、取生物质原料配制浓度为2~20wt%的生物质溶液,取金属盐配制浓度为0.5~2wt%的金属盐溶液;然后将生物质溶液和金属盐溶液按质量比2~5:1混合在一起,搅拌5~10分钟,得到反应溶液;步骤二、将反应溶液转移至不锈钢反应釜,其中反应溶液占反应釜容积的60~80%,然后以一定的升温速率升温到100~160℃,恒温反应8~20小时后,经自然冷却、分离、真空干燥,得到水热碳微球;步骤三、将水热碳微球在空气气氛中焙烧碳化,得到碳微球吸附剂。

【技术特征摘要】
1.一种金属盐催化低温水热法制备碳微球吸附剂的方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一、取生物质原料配制浓度为2~20wt%的生物质溶液,取金属盐配制浓度为0.5~2wt%的金属盐溶液;然后将生物质溶液和金属盐溶液按质量比2~5:1混合在一起,搅拌5~10分钟,得到反应溶液;
步骤二、将反应溶液转移至不锈钢反应釜,其中反应溶液占反应釜容积的60~80%,然后以一定的升温速率升温到100~160℃,恒温反应8~20小时后,经自然冷却、分离、真空干燥,得到水热碳微球;
步骤三、将水热碳微球在空气气氛中焙烧碳化,得到碳微球吸附剂。
2.如权利要求1所述的金属盐催化低温水热法制备碳微球吸附剂的方法,其特征在于,所述步骤一中,生物质原料为葡萄糖、果糖、淀粉、菊粉、木质纤维素中的任意一种。
3.如权利要求1所述的金属盐催化低温水热法制备碳微球吸附剂的方法,其特征在于,所述步骤一中,金属盐为CrCl3、SnCl4、WCl4、B(OH)3、AlCl3中的任意一种。
4.如权利要求1所述的金属盐催化低温水热法制备碳微球吸附剂的方法,其特征在于,所述步骤二中,升温速率为0.1~10℃/min,真空干燥温度为50~100℃。
5.如权利要求1所述的金属盐催化低温水热法制备碳微球吸附剂的方法,其特征在于,所述步骤三中,水热碳微球在空气气氛中的焙烧碳化温度为250~600℃,时间为0.5~5h,升温速率为0.1~10℃/min。
6.如权利要求1所述的金属盐催化低温水热法制备碳微球吸附剂的方法,其特征在于,所述生物质原料为改性菊粉,所述改性菊粉的制备方法为:将菊粉加入去离子水中,加热配制成10~15wt%的菊粉溶液,按重量份,取菊粉溶液100~300份,用盐酸调节pH值至3~4,用750W微波处理10~30min;然后加入1~3mol/L的尿素溶液,将p...

【专利技术属性】
技术研发人员:林晓艳蔡华明罗学刚
申请(专利权)人:西南科技大学
类型:发明
国别省市:四川;51

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