一种高性能碳纳米材料吸附剂及其制备与应用制造技术

本发明专利技术公开了一种高性能碳纳米材料吸附剂及其制备与应用，由碳纳米材料与粘接剂组成，碳纳米材料的质量分数为80‑97％，吸附剂的比表面积为800‑2200m

High performance carbon nano material adsorbent and preparation and application thereof

The invention discloses a high performance carbon nano adsorbent material and its preparation and application, is composed of carbon nano material and adhesive, the mass fraction of carbon nano materials for 80 97%, adsorbent surface area of 800 2200m

【技术实现步骤摘要】
一种高性能碳纳米材料吸附剂及其制备与应用
本专利技术属于纳米材料术领域，涉及一种高性能碳纳米材料吸附剂及其制备与应用，该吸附剂特别适用于吸附流体中低浓度非极性有机物。
技术介绍
碳纳米材料是一种具有比表面积大，化学稳定性好，表面呈非极性的新型材料，其代表性产品包括碳纳米管与石墨烯等。上述特性使得碳纳米材料可以吸附气体或液体中的非极性有机物。比如，碳纳米管与石墨烯等材料都可以吸附自身重量10-100倍的有机物，从而显示出比传统活性碳材料更加好的性能。另外，在吸附水中的非极性有机物中，可用海绵状的结构(碳纳米管海绵或石墨烯海绵)吸附水中汽油，柴油或苯酚，对于碳纳米管与石墨烯粉体，有报道用造粒成型的方法，形成大的颗粒，增加了工程操作的方便性。然而，由于毛细吸附作用，无论何种结构的吸附剂，其吸附都是可以快速完成的。但吸附剂结构不同，将吸附质脱附时，需要升温与消耗大量蒸汽或气体，且耗时非常长。目前快速吸附与慢速脱附不匹配的矛盾，还没有很好地解决。这导致将来放大操作时，吸附与脱附设备的数量要增加，不但增加了造价，也提高了工程操作难度。另外，气体或液体中的非极性有机物浓度越低，吸附难度越大。这就需要提高吸附剂的有效比表面积，必须使用比表面积大的碳纳米材料(如1-3层的少壁碳纳米管及1-3层的薄层石墨烯)。但这些材料在制备过程中，需要去除载体与干燥，首先就造成了比表面积损失并造成一定的环境污染，制备与环境处理成本高，阻碍了其商业化应用。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种高性能碳纳米材料吸附剂及其制备与应用，基于化学气相沉积过程中直接制备的碳纳米材料与无机化合物载体的复合物，制备得到成本低、比表面积大与吸附性能高的吸附剂，且简化了制备步骤，减少了废物排放。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种高性能碳纳米材料吸附剂，由碳纳米材料与粘接剂组成，碳纳米材料的质量分数为80-97％，吸附剂的比表面积为800-2200m2/g，其微孔、介孔与大孔的孔容占比为(1～3)：(1～6)：(1～10)。其中，所述碳纳米材料为少壁(1-3层壁)碳纳米管与薄层(1-3层)石墨烯中的一种或多种，其原生结构为化学气相沉积过程中直接制备的碳纳米材料与无机化合物载体的复合物。本专利技术还提供了所述高性能碳纳米材料吸附剂的制备方法，包括如下步骤：(a)将以无机化合物为载体的催化剂置于反应器中，在800-1000℃下通碳源0.3-4小时，生成碳纳米材料与无机化合物载体的复合物，然后停止加热，停止通碳源，改通氮气或氩气，降温至室温；(b)将所得复合物与粘接剂在20-100℃下混合0.1-2小时，然后加入到成型机器中，在20-300℃下成型；(c)用水、酸或碱去除步骤(b)所得产品中的无机化合物载体，过滤后，用去离子水洗涤至中性，在100-150℃干燥1-20小时后，得到最终产品。所述步骤(a)以无机化合物为载体的催化剂中，无机化合物载体为氧化镁、碳酸镁、碱式碳酸镁、氢氧化镁、氧化钙、氧化硅、氧化铝、氢氧化钙、氯化钠、碳酸钠以及碳酸钾中的一种或多种，当为多种时，比例任意。所述步骤(a)中，所用碳源为C1-C6烃或醇、C3-C6酮、C2-C6醚、C2-C6酯、CO以及CO2中的一种或多种，当为多种时，比例任意。所述步骤(b)中，所用粘接剂为无机类粘接剂或有机类粘接剂，复合物与粘接剂的质量比为(8～20)：(1～2)。所述无机类粘接剂为硅溶胶或铝溶胶，所述有机类粘接剂为PVDF、环氧树酯或PTFE。本专利技术高性能碳纳米材料吸附剂可用于吸附流体中低浓度非极性有机物的用途。所述流体为液体或气体，非极性有机物含量为4-300PPm。在25-100℃下0.1-1小时内一次性通过装有该吸附剂的床层，吸附后非极性有机物的含量降到3PPm以下。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术使用直接制备的碳纳米材料与无机化合物载体的复合物制备吸附剂。在成型后再去除无机化合物载体，使得碳纳米材料不易聚并，吸附剂的比表面积提高20％，吸附性能提高20-30％。(2)无机化合物载体在成型时占据一定空间，成型后再将其去除，起到了造孔剂的作用，不用故意填加造孔剂。与先制备纯净的碳纳米材料，再加造孔剂的工艺相比，制备成本下降20-30％，制备时间缩短20-30％，制备过程废物减排30％。(3)使用本专利技术的吸附剂，与不使用这类方法成型的吸附剂相比，孔道丰富，能够缩短脱附时间30-50％，减少蒸汽、气体用量30-50％。可使吸附/脱附设备的压力降低20-30％，使流体输送成本降低20-30％。(4)在成型过程中直接加热，减少了干燥环节与材料转运环节，使制备成本降低0.5-5％。具体实施方式下面结合实施例详细说明本专利技术的实施方式。实施例1将以氧化镁为载体的催化剂置于反应器中，在1000℃下通碳源(甲烷)0.3小时，生成单壁碳纳米管与氧化镁载体的复合物。然后停止加热，停止通碳源，改通氮气，降温至室温。将上述复合物与粘接剂(二者的质量比为8：1.5，粘接剂为硅溶胶)在40℃下混合1小时，然后加入到成型机器中，在250℃下成型。将成型产品中的氧化镁载体用盐酸去除，过滤后，用去离子水洗涤至中性，在150℃干燥1小时后，得到最终产品。其中碳纳米材料的质量分数为85％。吸附剂的比表面积为800m2/g，其微孔、介孔与大孔的孔容占比为3：6：8。将含4-50PPm(质量分数)苯的水在25℃0.1小时内通过该吸附剂床层，可将苯的质量分数降到3PPm以下。实施例2将以碳酸镁和碱式碳酸镁(质量比为1:1)为载体的催化剂置于反应器中，在800℃下通碳源(乙醇与环己烷，质量分数各50％)1小时，碳酸镁与碱式碳酸镁在高温下分解生成氧化镁，碳在载体表面生成单层石墨烯与氧化镁载体的复合物。然后停止加热，停止通碳源，改通氮气，降温至室温。将上述复合物与粘接剂(二者的质量比为20：1，粘接剂为铝溶胶)在30℃下混合0.5小时，然后加入到成型机器中，在300℃下成型。将成型产品中的氧化镁载体用盐酸去除，过滤后，用去离子水洗涤至中性，在150℃干燥6小时后，得到最终产品。其中碳纳米材料的质量分数为97％。吸附剂的比表面积为2200m2/g，其微孔、介孔与大孔的孔容占比为3：6：1。将含300PPm(质量分数)汽油的水，在100℃1小时内通过该吸附剂床层，可将汽油的质量分数降到3PPm以下。实施例3将以碳酸镁与氧化钙(质量比为4:1)为载体的催化剂置于反应器中，在950℃下通碳源(CO、CO2、甲醇与环己醇，质量分数分别为45％、5％、20％与30％)1.2小时，碳酸镁在高温下分解生成氧化镁，碳在载体表面沉积生成1-3层石墨烯、1-3层碳纳米管与氧化镁、氧化钙载体的复合物。然后停止加热，停止通碳源，改通氩气，降温至室温。将上述复合物与粘接剂(二者的质量比为10：1，粘接剂为PVDF)在70℃下混合1小时，然后加入到成型机器中，在150℃下成型。将成型产品中的氧化镁载体用盐酸去除，过滤后，用去离子水洗涤至中性，在100℃干燥12小时后，得到最终产品。其中碳纳米材料的质量分数为90％。吸附剂的比表面积为1320m2/g，其微孔、介孔与大孔的孔容占比为1：1：10。将含80PPm(质量分数)润本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能碳纳米材料吸附剂，其特征在于，由碳纳米材料与粘接剂组成，碳纳米材料的质量分数为80‑97％，吸附剂的比表面积为800‑2200m

【技术特征摘要】
1.一种高性能碳纳米材料吸附剂，其特征在于，由碳纳米材料与粘接剂组成，碳纳米材料的质量分数为80-97％，吸附剂的比表面积为800-2200m2/g，其微孔、介孔与大孔的孔容占比为(1～3)：(1～6)：(1～10)。2.根据权利要求1所述高性能碳纳米材料吸附剂，其特征在于，所述碳纳米材料为少壁碳纳米管与薄层石墨烯中的一种或多种，其原生结构为化学气相沉积过程中直接制备的碳纳米材料与无机化合物载体的复合物。3.根据权利要求2所述高性能碳纳米材料吸附剂，其特征在于，所述少壁碳纳米管的壁层数为1-3层，所述薄层石墨烯的层数为1-3层。4.权利要求1所述高性能碳纳米材料吸附剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(a)将以无机化合物为载体的催化剂置于反应器中，在800-1000℃下通碳源0.3-4小时，生成碳纳米材料与无机化合物载体的复合物，然后停止加热，停止通碳源，改通氮气或氩气，降温至室温；(b)将所得复合物与粘接剂在20-100℃下混合0.1-2小时，然后加入到成型机器中，在20-300℃下成型；(c)用水、酸或碱去除步骤(b)所得产品中的无机化合物载体，过滤后，用去离子水洗涤至中性，在100-150℃干燥1-20小时后，得到最终产品。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：骞伟中，陈航，田佳瑞，多尼，杨周飞，尹泽芳，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11