一种多孔活性炭负载氧化镁复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种多孔活性炭负载氧化镁复合材料及其制备方法及应用；复合材料(MgO‑ZIF‑8C)由纳米MgO颗粒均匀填充在多孔活性炭孔隙中及均匀沉积在多孔活性炭表面构成，其制备方法是利用沸石咪唑酯骨架材料(ZIFs)作为碳前驱材料，同时在ZIFs中掺杂镁元素，再通过高温煅烧碳化形成MgO‑ZIF‑8C材料；制备的MgO‑ZIF‑8C材料不仅继承着ZIF‑8较高比表面积和高孔容等优点，而且其氧化镁的负载率高，分散性好，稳定性好，不易脱落；将其应用于挥发性有机污染气体吸附，吸附效果优异，特别适合用于丙酮的吸附。

Porous activated carbon loaded Magnesium Oxide composite material and preparation method and application thereof

The invention discloses a Magnesium Oxide composite material and its preparation method and application of a porous activated carbon supported; composite materials (MgO ZIF 8C) by nano MgO particles uniformly filled in porous activated carbon pores and uniformly deposited on the porous surface of the activated carbon composition, its preparation method is the use of zeolite skeleton material (imidazole ester ZIFs) as the carbon precursor material, at the same time doping in ZIFs mg, followed by the calcination of MgO ZIF 8C carbide forming materials; MgO ZIF 8C material preparation not only inherits the ZIF 8 higher than the advantages of surface area and Gao Kongrong, and the Magnesium Oxide high load rate, good dispersion good stability, not easy to fall off; applied to the organic pollution of volatile gas adsorption, the adsorption effect is excellent, especially suitable for the adsorption of acetone.

【技术实现步骤摘要】
一种多孔活性炭负载氧化镁复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种VOC吸附材料，特别涉及一种多孔活性炭负载氧化镁复合材料及其制备方法，还涉及多孔活性炭负载氧化镁复合材料在吸附可挥发性气体丙酮中的应用，属于新材料

技术介绍
挥发性有机污染物(VOC)是一类普遍存在于室内外空气中具有污染性质的化合物，而丙酮是其中酮类具有代表性的化合物，会对人体产生极大危害，如对人体中枢神经系统的产生抑制、麻醉作用,长期在高浓度环境下会对人体现肝、肾和膜腺等造成损害。目前对于控制空气中的丙酮气体的治理手段有很多，吸附法是其中最为经济成熟常用的一种方法。活性炭巨大的比表面积和孔体积保证了其吸附处理能力，已经广泛应用于净化、污染控制、催化等领域。为了提高活性炭的性能，提高对目标污染物更针对的选择能力，有必要采用一定技术对其进行改性。其中负载改性是使金属离子或者化合物附着在活性炭表面上，然后由于金属离子或化合物对吸附物具有较强的结合力，因此能有效地增加活性炭对某些有机物的吸附性能。传统的负载方法有浸渍焙烧法、混合焙烧法、混合活化法、化学气相沉淀法、溶胶凝胶法。然而，目前这些负载方法制备过程复杂、原料价格高、分散性差、负载量小等缺点，制约了这种新型材料的发展与应用。所以研制出一种物化性能优异的复合型活性炭具有重要的实际意义。中国专利(CN10251445A)公开了一种多孔碳吸附剂及其制备方法与应用。具体公开了吸附剂的活性成分为无定型碳和金属氧化物，其制备方法是将天然高分子材料在硝酸盐水溶液中浸渍，然后烘干、碳化，即得；制备的多孔碳吸附剂具有优良吸附效果的同时，还增强对阴离子无机污染物的吸附效果。中国专利(CN102908979A)公开了一种多孔氧化镁高效吸附剂的制备方法具体公开通过负载镁盐在多孔材料的孔道中及表面，通过煅烧得到多孔氧化镁高效吸附剂；多孔材料为活性炭、硅藻土、硅胶、分子筛中的至少一种，其所制备的多孔氧化镁比表面积大，对重金属离子的吸附能力强，饱和吸附量大，具有良好的工业应用前景。另外，(“氧化镁/活性炭复合材料的制备及其吸附性能研究”，候少芹，中国海洋大学，2009年，硕士论文)公开以镁盐和造纸草浆黑液、镁盐和商品活性炭为原料，经二氧化碳活化制备氧化镁/活性炭复合材料。这些方法几乎都是通过浸渍法负载镁盐，再经过高温碳化或者焙烧等来制备的氧化镁/活性炭复合材料，这些金属氧化物的分散性不均匀，负载稳定性差，且其主要是用于吸附水中的离子化合物。
技术实现思路
针对现有金属氧化镁改性活性炭存在的缺陷，本专利技术的一个目的是在于提供一种氧化镁分散均匀、负载量高、稳定性好的多孔活性炭负载氧化镁复合材料。本专利技术的另一个目的是在于提供一种操作简单、成本低的制备所述多孔活性炭负载氧化镁复合材料的方法。本专利技术的第三个目的是在于提供所述多孔活性炭负载氧化镁复合材料在吸附VOC方面中的应用，特别适合于作为选择性吸附丙酮的吸附材料使用。为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种多孔活性炭负载氧化镁复合材料(MgO-ZIF-8C)的制备方法，该方法是将硝酸锌、镁盐和2-甲基咪唑分别溶于甲醇后，超声混合，在所得混合溶液中加入氨水，搅拌反应，析出沉淀产物；所述沉淀产物经过干燥、碳化，即得。本专利技术的技术方案关键在于将镁盐与制备沸石咪唑酯骨架材料(ZIFs)的原料一起制备碳前驱材料(ZIF-8)，制备的ZIF-8有较高的比表面积和孔容，并且有很好的热稳定性，而氧化镁前驱体(氢氧化镁)均匀吸附负载在ZIF-8的空洞中及骨架表面，在碳化过程中，同时实现了氧化镁纳米颗粒的原位生成，从而使氧化镁均匀分散在多孔炭材料中，且氧化镁原位生成，其负载稳定性好。与传统活性炭负载技术相比，解决了传统活性炭负载氧化镁存在的负载率低、分散性不好、易脱落等技术难题。优选的方案，硝酸锌、镁盐和2-甲基咪唑的摩尔比为1:0.5～5:0.5～5。通过本专利技术的技术方案制备多孔活性炭负载氧化镁复合材料，镁盐的浓度可以在较大的浓度范围内进行调控，可以获得氧化镁负载量高达30％的多孔活性炭负载氧化镁复合材料。较优选的方案，所述镁盐为硝酸镁。优选的方案，氨水与混合溶液中甲醇的体积比为2～3:1。优选的方案，搅拌反应的温度为10～40℃，时间为3～8小时。本专利技术的技术方案通过超声辅助溶解，有利于溶质更好的分散于有机溶剂中，再通过适当的反应温度及时间，有利于形成颗粒较小且颗粒均匀氧化镁。可以将纳米氧化镁颗粒晶粒尺寸控制在2～10纳米范围内。优选的方案，所述碳化过程：采用氮气作为保护气，以5～10℃/min升温速率升温至700～950℃后，使温度稳定在700～950℃，保温1～3小时。通过选择合适的升温速率、保温温度、保温时间、降温速率有利于ZIF-8C活性炭形成更大的比表面积和孔径。较优选的方案，六水合硝酸锌溶于甲醇得到浓度为0.25～0.35mol/L的溶液。2-甲基咪唑溶于甲醇后得到浓度为0.5～0.7mol/L的溶液。优选的浓度范围，有利于形成结构稳定的配合物。优选的方案，碳化过程中用氮气作为保护气体，有利于丰富ZIF-8C活性炭多孔结构。本专利技术还提供了一种多孔活性炭负载氧化镁复合材料，由上述的制备方法得到。优选的方案，多孔活性炭负载氧化镁复合材料由纳米MgO颗粒均匀填充在多孔活性炭孔隙中及均匀沉积在多孔活性炭表面构成。优选的方案，纳米氧化镁颗粒晶粒尺寸为2～10纳米。选用适当的粒径的氧化镁晶体，使氧化镁能更好地嵌入ZIF-8C活性炭的孔系中，增强了两者之间的结合力。较优选方案，所述纳米MgO颗粒质量为多孔活性炭质量的1.0～30.0％。选用适当的负载量既能够保证有足够的纳米氧化镁的分散负载于ZIF-8C活性炭上，又能同时保留多孔炭材料较大的比表面积和孔径。本专利技术还提供了多孔活性炭负载氧化镁复合材料的应用，将其应用于吸附易挥发性有机物。优选的方案，多孔活性炭负载氧化镁复合材料作为吸附柱填充材料用于吸附丙酮。多孔活性炭负载氧化镁复合材料对丙酮具有较强的吸附作用，一方面活性炭具备大比表面积和适宜孔径有助于丙酮气体在其表面的吸附，另一方面，分散于活性炭中的氧化镁会和丙酮发生化学键的断裂与重组等化学作用，也会促进活性炭对丙酮的吸附。两者协同作用，大大提高复合材料对丙酮的吸附作用。本专利技术制备MgO-ZIF-8C的方法包括以下具体步骤：(1)将Zn(NO3)2·6H2O，2-甲基咪唑，Mg(NO3)2·6H2O分别溶于甲醇中，再按一定比例超声混合，将氨水加入混合溶液中，在10～40℃搅拌反应3～8小时，反应完成后，过滤分离后，用H2O/MeOH(1:1V/V)甲醇混合溶液洗涤三次；(2)将过滤分离所得固体在90～100℃干燥8～12小时后，置于管式炉中，在氮气保护条件下，于700～950℃温度条件下进行煅烧炭化，即得MgO-ZIF-8C。相对现有技术，本专利技术的技术方案带来的有益技术效果：1、本专利技术的技术方案制备的多孔活性炭负载氧化镁复合材料最大的优点在于氧化镁负载量大，且可以在较大范围内调控；氧化镁分散性好，均匀填充在多孔活性炭孔隙中及均匀沉积在多孔活性炭表面；氧化镁通过原位沉积在多孔碳表面及孔洞中，负载稳定，不易脱落，解决了现有技术中活性炭负载氧化镁存在负载量小，分散不均，且负载稳定性差本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔活性炭负载氧化镁复合材料的制备方法，其特征在于：将硝酸锌、镁盐和2‑甲基咪唑分别溶于甲醇后，超声混合，在所得混合溶液中加入氨水，搅拌反应，析出沉淀产物；所述沉淀产物经过干燥、碳化，即得。

【技术特征摘要】
1.一种多孔活性炭负载氧化镁复合材料的制备方法，其特征在于：将硝酸锌、镁盐和2-甲基咪唑分别溶于甲醇后，超声混合，在所得混合溶液中加入氨水，搅拌反应，析出沉淀产物；所述沉淀产物经过干燥、碳化，即得。2.根据权利要求1所述的多孔活性炭负载氧化镁复合材料的制备方法，其特征在于：硝酸锌、镁盐和2-甲基咪唑的摩尔比为1:0.5～5:0.5～5；所述镁盐为硝酸镁。3.根据权利要求1所述的多孔活性炭负载氧化镁复合材料的制备方法，其特征在于：氨水与混合溶液中甲醇的体积比为2～3:1。4.根据权利要求1～3任一项所述的多孔活性炭负载氧化镁复合材料的制备方法，其特征在于：搅拌反应的温度为10～40℃，时间为3～8小时。5.根据权利要求1～3任一项所述的多孔活性炭负载氧化镁复合材料的制备方法，其特征在于：所述碳化过程：采用氮气作...

【专利技术属性】
技术研发人员：李立清，周柯，高正才，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43