一种榴莲皮基生物质炭材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种利用废弃物榴莲皮制备生物质炭材料的制备方法及其吸附油类和有机物的应用，具体包括以下步骤：去除榴莲皮坚硬外表皮，洗净，切块，依次经水热、热水浴浸泡、冷冻干燥和氮气氛围中高温热解等处理得榴莲皮基生物质炭材料。将榴莲皮基生物质炭材料浸入油类或有机溶剂中静态吸附充分后，取出块状吸附剂即可实现分离，此外，可通过蒸发溶剂的方法实现吸附剂的再生。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种榴莲皮基生物质炭材料的制备方法及其吸附油类和有机物的应用，属于生物质炭吸附材料制备和水污染处理领域。
技术介绍
近年来，频发的各类有机物泄漏事件进一步加重了地球水资源危机，并对自然环境和人类健康造成了严重的危害。传统的处理有机物废水的方法包括化学法(如分散法、原位燃烧法和凝聚法)、物理法(借助大型油水分离船和普通毡等分离有机物和水)和生物法。化学法一般易造成二次污染；物理法常涉及复杂设备，成本高，分离效率低；生物法所采用的微生物往往具有选择性，即一种微生物通常只能处理一种有机物，成本高。目前，物理或化学的吸附法涉及的设备仪器简单，处理技术简便，故成本相对较低，因此得到广泛地关注。开发价廉高效的吸附剂用于处理有机物废水已成为一大研究热点。各类炭材料是目前研究较多的有机物吸附剂。传统的碳/炭质类材料如活性炭，其主要成分为碳元素，表面官能团丰富，孔隙发达，比表面积一般高达500～1200m2/g，对有机物有一定的吸附作用，但其吸附效率较低，价格昂贵，再生复杂，分离困难，故其应用受到限制。为了克服传统炭材料的不足，各种以石墨、石墨烯、碳纳米管和壳聚糖等为原料的新型吸油和有机溶剂的炭材料被成功的制备出来。例如，Xu等制备出的轻质高强的石墨烯炭材料表现出优异的超疏水性和超亲油性，对测试的多种油类和有机物的吸附能力高达100～260g/g(L.Xu,G.Xiao,etal.Superhydrophobicandsuperoleophilicgrapheneaerogelpreparedbyfacilechemicalreduction[J].J.Mater.Chem.A,2015,3,7498-7504.)；S.Kabiri等以石墨为原料合成出了具有三维网状结构的石墨烯-碳纳米管气凝胶，结果表明制备出的气凝胶对多种石油产品、脂肪和有机溶剂吸附效果较好，特别是在真空条件下持续吸附，每克吸附剂可吸附28L油(S.Kabiri,D.N.H.Tran,etal.Outstandingadsorptionperformanceofgraphene–carbonnanotubeaerogelsforcontinuousoilremoval[J].Carbon,2014,80,523-533.)。尽管这些新型炭材料对多种油类及有机物水污染源展现出良好的吸附性能，但其制备原料多数依然价格较高，合成方法繁琐，易产生二次污染物。因此，一些科研工作者从选用成本低廉的原料和简化碳炭材料制备工艺两大方面入手，探讨了碳/炭材料的制备方法，并取得了一定进展。一些常见的生物质材料如西瓜、冬瓜、甘蔗等被用于制备炭材料，一方面大幅度降低了原料成本，另一方面植物生物质材料含有大量富含碳素的纤维素、半纤维素和木质素等特殊结构的大分子物质，无机物含量低，结构规整，为炭材料的三维网状结构的构建提供了优良的前驱体。但是目前已报道的生物质炭材料还很少，且利用的原料多具有一定的经济价值，故其成本有待进一步降低。榴莲皮是一种水果副产物，资源丰富，易再生，具有生物质的优点，即微观结构规整，富含纤维素、半纤维素和木质素等成分，是一种制备炭材料的理想原料。尽管如此，日常生活中榴莲皮多被作为一种废弃物，丢弃处理。由于其产量巨大，气味独特，故造成了较为严重的资源浪费和环境污染。因此，榴莲皮的处理及再利用问题也引起了人们的高度关注。
技术实现思路
本专利技术的目的在于以废弃的榴莲皮为原料，提供一种榴莲皮基生物质炭材料的制备方法及其在油类和有机物废水处理方面的应用，进一步降低生物质炭材料的制备成本，并提出一条废弃榴莲皮的再利用的思路。本专利技术的技术方案如下：一种榴莲皮基生物质炭材料的制备方法，其特征在于利用废弃的榴莲皮为三维网状结构炭材料前驱体，并涉及榴莲皮的水热初步碳化、冷冻干燥保持形貌和氮气氛围里高温碳化三大过程。具体步骤如下：将收集的废弃榴莲皮去黄绿色坚硬带刺表皮，洗净，切块，在150～220℃温度下水热处理10～24h，热水浴中浸泡去除可溶性杂质。然后，将浸泡好的榴莲皮冷冻，并于真空冷冻干燥箱中-80℃冷冻干燥24-48h；最后，将材料在氮气氛围里800℃热解1～5h，即得榴莲皮基生物质炭材料。本专利技术将按照上述方法制备的吸附剂用于含油类或有机液体的废水处理领域，并取得了较好的吸附效果。所述的油类和有机液体包括：泵油、蓖麻油、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、乙醇、丙酮、对二甲苯(PX)、正庚烷、甲苯、甲醇、甲酸、N-甲基吡咯烷酮(NMP)等。此外，本专利技术制备的榴莲皮基生物质炭材料可通过蒸发溶剂的方法实现再生。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1.榴莲皮是一种水果副产物，基本无经济价值，产量巨大，常被丢弃，甚至造成严重的环境污染。选用榴莲皮为原料制备吸附剂，不仅进一步降低了吸附成本，也有利于实现废弃榴莲皮的再利用。同时榴莲皮含有大量富含碳素的纤维素、半纤维素和木质素等特殊结构的大分子物质，无机物含量低，结构规整，为炭材料的三维网状结构的构建提供了优良的前驱体。2.本专利技术通过水热、冷冻干燥和热解等步骤制备出了轻质多孔，高比表面积，且吸附性能优异的榴莲皮基生物质炭材料。该制备方法设备相对简单，能耗较低，无污染物产生，环保易行。3.本专利技术提供的榴莲皮基生物质炭材料吸附油类和有机溶剂的方法易实施，吸附速率快，吸附效率高，分离操作便捷，循环性能优，且通过简单的蒸发溶剂即可实现吸附的再生。附图说明结合以下附图，具体地阐述本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，但是下面描述中的有关本专利技术的附图仅仅是本专利技术的一些实施例,而不用于限制本专利技术的范围。图1为实施例1制备的样品1(1a)、样品2(1b)和样品3(1c)的SEM图。图2为实施例1制备的样品3的N2吸脱附曲线。图3为实施例1制备的样品3的孔直径分布图。图4为实施例1制备的样品1、样品2和样品3的FTIR谱图。图5为实施例1制备的样品1、样品2和样品3的Raman谱图。图6为实施例1制备的样品1、样品2和样品3的XRD谱图。图7为实施例2测得的榴莲皮基生物质炭材料对常见油类和有机物的吸附效果图。图8为实施例3测得的榴莲皮基生物质炭材料对丙酮溶剂的吸-脱附循环效果图。具体的实施方式下面结合具体地实施方式进一步阐述本专利技术，但这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。实施例1本专利技术通过下述方法制备出榴莲皮基生物质炭材料，并对其进行了表征。新鲜榴莲皮去黄绿色坚硬带刺表皮，分别用自来水和蒸馏水洗涤3次，切块，于冰箱中-20℃冷冻24h，并于真空冷冻干燥箱中-80℃冷冻干燥48h，得样品1。新鲜榴莲皮去黄绿色坚硬带刺表皮，分别用自来水和蒸馏水洗涤3次，切块放入水热反应釜中，于鼓风干燥箱中180℃水热反应10h，将初步碳化榴莲皮置于70℃热水浴中浸泡2天。然后，将浸泡好的榴莲皮置于冰箱中-20℃冷冻24h，并于真空冷冻干燥箱中-80℃冷冻干燥48h，得样品2。新鲜榴莲皮去黄绿色坚硬带刺表皮，分别用自来水和蒸馏水洗涤3次，切块放入水热反应釜中，于鼓风干燥箱中180℃水热反应10h，将初步碳化榴莲皮置于70℃热水浴中浸泡2天，去除可溶性杂质。然后，将浸泡好的榴莲皮置于冰箱中-20℃冷冻24h，并于真空冷冻干燥箱中-80℃冷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种榴莲皮基生物质炭材料的制备方法，其特征在于：以资源丰富的废弃物榴莲皮为原料，依次将榴莲皮水热初步碳化、去除可溶性杂质、冷冻干燥保持形貌和氮气氛围里高温碳化，得到榴莲皮基生物质炭材料吸附剂。

【技术特征摘要】
1.一种榴莲皮基生物质炭材料的制备方法，其特征在于：以资源丰富的废弃物榴莲皮为原料，依次将榴莲皮水热初步碳化、去除可溶性杂质、冷冻干燥保持形貌和氮气氛围里高温碳化，得到榴莲皮基生物质炭材料吸附剂。2.根据权利要求1所述的一种榴莲皮基生物质炭材料的制备方法，其特征在于：将收集的废弃榴莲皮去黄绿色坚硬带刺表皮，洗净，切块，在150～220℃温度下水热处理10～24h，热水浴中浸泡去除可溶性杂质；然后，将浸泡好的榴莲皮冷冻，并于真空冷冻干燥箱中-80℃冷冻干燥24-48h；最后，将材料在氮气氛围里800℃热解1～5h，即得榴莲皮基生物质炭材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱琳，王亚，尤良军，蒋海涛，沈湘黔，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32