一种纤维素改性活性炭重金属吸附材料及制备方法与应用技术

本发明专利技术属于生物质资源再利用和环境功能新材料技术领域，特别涉及一种纤维素改性活性炭重金属吸附材料(CAC‑NA)及制备方法与在环境治理修复领域中的应用，特别是修复重金属污染，如重金属吸附领域。本发明专利技术制备方法包括以下步骤：(1)将纤维素在氮气气氛下升温炭化，得到纤维素炭；(2)将纤维素炭与强碱、水混合，烘干，得到纤维素活性炭‑碱；将其加热处理，得到纤维素活性炭；(3)将纤维素活性炭与浓硝酸混合，加热搅拌反应，过滤、洗涤、干燥，得到纤维素改性活性炭重金属吸附材料。所得纤维素改性活性炭重金属吸附材料具有吸附率容量高，去除率高等特点，其对重金属镉吸附容量达到368mg/g，是一种性能优良的重金属吸附剂。

Cellulose modified activated carbon heavy metal adsorption material, preparation method and application thereof

The invention belongs to the field of biomass resources recycling and environmental function of new material technology field, especially relates to a cellulose modified activated carbon adsorption material (CAC NA) and preparation method and application in environmental remediation in the field, especially the repair of heavy metal pollution, such as heavy metal adsorption field. The preparation method of the invention comprises the following steps: (1) cellulose under nitrogen atmosphere heating carbonization, to obtain cellulose carbon; (2) cellulose carbon and alkali, water mixing, drying, to obtain cellulose activated carbon base; the heat treatment to obtain cellulose activated carbon; (3) cellulose with activated carbon concentrated nitric acid mixture, heating and stirring, filtering, washing and drying to obtain cellulose modified activated carbon adsorption material. The obtained cellulose modified activated carbon heavy metal adsorption material has the characteristics of high adsorption capacity and high removal rate, and its adsorption capacity of cadmium to heavy metal reaches 368mg/g. It is a kind of heavy metal adsorbent with good properties.

【技术实现步骤摘要】
一种纤维素改性活性炭重金属吸附材料及制备方法与应用
本专利技术属于生物质资源再利用和环境功能新材料
，特别涉及一种纤维素改性活性炭重金属吸附材料(CAC-NA)及制备方法与在环境治理修复领域中的应用，特别是修复重金属污染，如重金属吸附领域。
技术介绍
随着采矿工业、化肥、农药、电池、冶金和电器制造等行业的快速发展，含有重金属的废物直接或间接地排入环境造成严重的环境污染。重金属污染由于其毒性强、持久时间长和生物难降解，引起了社会的广泛关注。被排放到环境中的重金属可以通过食物链的作用，进入人体，并危害人类的健康甚至生命。因此，对重金属污染的控制和治理已经成为各国环境保护中急需妥善解决的环境问题。目前针对重金属污染水体的治理技术包括：膜技术、离子交换、化学沉淀、吸附法等方法；针对土壤重金属污染的修复方法包括：工程修复、植物修复、生物修复和物理化学吸附等方法。其中，吸附法适用于水体和土壤，具有吸附材料来源广泛、吸附容量大、吸附速度快、去除效率高、操作简便等优点。开发易制备、成本低、效率高、不产生二次污染的高性能吸附剂对重金属的治理具有重要作用。活性炭具有孔隙结构发达、比表面积大、易化学修饰和吸附性能优良的性质，被广泛应用于食品、制药工业中的杂质去除、脱色和环境污染治理以及工业催化剂载体等。纤维素是农业废弃物的主要成分，其中粮食作物秸秆中的纤维素占比约为40％左右。以纤维素作为活性炭的原料，充分利用了丰富的秸秆资源，开辟了秸秆利用的新途径，达到变废为宝的目的。Cheng[EcologicalEngineering,87(2016)240-245.]等研究了通过花生壳制备的活性炭对重金属镉吸附的研究，研究了不同环境因素对花生壳活性炭吸附重金属镉的影响。在最佳吸附条件条件下，花生壳活性炭对重金属镉溶液中镉的去除率达到99.9％，对重金属镉的吸附性能优于花生壳自身。J.H.Park[Chemosphere,142(2016)77-83.]等制备了秸秆活性炭用于多种重金属的吸附研究，比较了其对单组分铅、镉、铬、铜和锌的吸附性能，并研究了在多种组分存在的情况下的竞争吸附情况。在单组分情况下的吸附容量顺序铅>镉>铬>铜>锌，多组分吸附竞争强弱顺序为铅>铜>铬>锌>镉。专利CN105944672A公布了一种以虾壳为基础原料，利用磷酸低温煅烧制备了磷杂化活性炭吸附剂材料，并研究了其对阳离子染料亚甲基蓝的吸附性能。专利CN106179207A公布了一种利用农林废弃物板栗壳制备活性炭的方法，并测试了其对室内甲醛的吸附性能。从现有研究来看，充分利用农业废弃物中的纤维素，通过简单的方法制备高效、具有普适性以及化学官能团修饰的活性炭吸附材料仍有待进一步研究。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种纤维素改性活性炭重金属吸附材料(CAC-NA)的制备方法。本专利技术另一目的在于提供上述方法制备的纤维素改性活性炭重金属吸附材料(CAC-NA)。本专利技术再一目的在于提供上述纤维素改性活性炭重金属吸附材料(CAC-NA)在环境治理修复领域中的应用，特别适用于修复重金属污染，如重金属吸附领域中。本专利技术的目的通过下述方案实现：一种纤维素改性活性炭重金属吸附材料(CAC-NA)的制备方法，包括以下步骤：(1)将纤维素在氮气气氛下升温炭化，得到纤维素炭(CAC)；(2)将纤维素炭与强碱、水混合，烘干，得到纤维素活性炭-碱(CAC-base)；将其加热处理，得到纤维素活性炭；(3)将纤维素活性炭与浓硝酸混合，加热搅拌反应，过滤、洗涤、干燥，得到纤维素改性活性炭重金属吸附材料(CAC-NA)。步骤(1)所述升温的速率为3～8℃/min，优选为5℃/min。步骤(1)所述升温优选加热至250～350℃，更优选为300℃。步骤(1)所述炭化的保温时间为40～80min，优选为60min。步骤(1)所述炭化可在管式炉中进行。步骤(2)中所用纤维素炭与强碱的质量比为1:2～1:4，优选为1:3。步骤(2)中所述强碱可为氢氧化钠、氢氧化钾等，优选为氢氧化钾。步骤(2)中所述混合体系中强碱的浓度优选为20～40wt％，更优选为30wt％。步骤(2)中所述的烘干可在烘箱中进行。所述的烘干优选为在70～90℃下烘干，更优选为80℃。步骤(2)中所述加热处理的升温速率为3～8℃/min，优选为5℃/min。步骤(2)中所述加热处理优选为加热至550～850℃，更优选为700℃。步骤(2)中所述加热处理的保温时间为30～240min，优选为60min。步骤(2)中所述加热处理优选在氮气气氛下进行。步骤(2)中所述加热处理可在管式炉中进行。步骤(3)中所用纤维素活性炭与浓硝酸的质量比为1:10～1:5。步骤(3)中所述浓硝酸的浓度为20～40％，优选为30％。步骤(3)中所述加热的温度为60～80℃，优选为70℃。步骤(3)中所述加热优选为采用油浴加热。步骤(3)中所述搅拌的时间优选为2～4h，更优选为3h。步骤(3)中所述洗涤采用水洗涤，优选洗涤至中性。步骤(3)中所述干燥优选为真空干燥6～24h，更优选干燥12h。步骤(3)中所述干燥优选在20～40℃下进行，更优选为30℃。本专利技术还提供上述方法制备得到的纤维素改性活性炭重金属吸附材料(CAC-NA)。本专利技术方法以纤维素为原料，其是一种天然的生物质资源，是农业废弃物中的主要成分，具有来源广泛、价格低廉、富含重金属吸附活性官能团和吸附位点、易生物降解、对环境无污染等优点，将其作为吸附材料用于重金属吸附，是取之自然，回归于自然的过程，实现了农业废弃生物质资源的再利用。且本专利技术方法制备工艺简单、操作简便，便于规模化工业生产和应用。本专利技术方法对纤维素进行硝酸处理，引入含氮官能团，增加了活性炭的吸附位点；将纤维素活性炭中的部分羟基氧化为羧基，增加了吸附位点的活性。本专利技术经过物理化学处理得到的吸附材料，比表面积和孔体积大，并且具有介孔结构，为重金属的吸附同时提供物理吸附空间和化学吸附活性位点，极大的改善了吸附材料的吸附性能，具有吸附率容量高，去除率高等特点，因而其在重金属吸附领域有着很好的成本优势和应用前景，可广泛应用于在环境治理修复领域中，特别适用于修复重金属污染，如重金属吸附领域中。将本专利技术吸附材料应用于重金属吸附中，其对重金属镉吸附容量达到368mg/g，是一种性能优良的重金属吸附剂。本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：(1)本专利技术的吸附材料，其原料纤维素是农业废弃物中的主要成分，来源广泛，价格低廉，实现了农业废弃生物质资源的再利用。(2)本专利技术的吸附剂材料对重金属的吸附具有广泛适用性。环境中的重金属污染虽然存在电位超标率高低的不同，但是大都是多种重金属污染同时存在，因此具有广泛适用性非常有必要。(3)本专利技术的吸附材料，同时兼顾了吸附过程中的物理吸附和化学吸附，吸附率容量高，去除率高。(4)本专利技术的制备工艺简单、操作简便，便于规模化工业生产和应用。附图说明图1为实施例1的CAC-NA-700的红外光谱图。图2为实施例1的CAC-NA-700的比表面积曲线。图3为实施例1的CAC-NA-700的孔径分布曲线。图4为实施例1的CAC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纤维素改性活性炭重金属吸附材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将纤维素在氮气气氛下升温炭化，得到纤维素炭；(2)将纤维素炭与强碱、水混合，烘干，得到纤维素活性炭‑碱；将其加热处理，得到纤维素活性炭；(3)将纤维素活性炭与浓硝酸混合，加热搅拌反应，过滤、洗涤、干燥，得到纤维素改性活性炭重金属吸附材料。

【技术特征摘要】
1.一种纤维素改性活性炭重金属吸附材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将纤维素在氮气气氛下升温炭化，得到纤维素炭；(2)将纤维素炭与强碱、水混合，烘干，得到纤维素活性炭-碱；将其加热处理，得到纤维素活性炭；(3)将纤维素活性炭与浓硝酸混合，加热搅拌反应，过滤、洗涤、干燥，得到纤维素改性活性炭重金属吸附材料。2.根据权利要求1所述的纤维素改性活性炭重金属吸附材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述升温的速率为3～8℃/min；所述升温指加热至250～350℃；所述炭化的保温时间为40～80min。3.根据权利要求1所述的纤维素改性活性炭重金属吸附材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述升温的速率为5℃/min；所述升温指加热至300℃；所述炭化的保温时间为60min。4.根据权利要求1所述的纤维素改性活性炭重金属吸附材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所用纤维素炭与强碱的质量比为1:2～1:4；所述强碱为氢氧化钠或氢氧化钾；所述混合体系中强碱的浓度为20～40wt％；所述加热处理的升温速率为3～8℃/min；所述加热处理为加热至550～850℃；所述加热处理的保温时间为30～240min。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：章莉娟，陈全，郑杰伟，温李阳，杨琛，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44