一种炭包裹的过渡金属碳化物复合材料、制备方法及其吸附用途技术

本发明专利技术公开了一种炭包裹的过渡金属碳化物（记为：C@NaOTiCx）复合材料制备方法，以及它们在含重金属离子的污水处理吸附应用，属于吸附和污水处理技术领域。该复合材料吸附剂是以Ti3AlC2、葡萄糖、纤维素或木屑为原料，碱性溶液为溶剂，在120‑220℃，24‑96h条件下成功制备，产物为棒状或纤维状纳米结构。该产品采用水热/溶剂热法一步制备获得，在此体系中，碱性溶液即作为刻蚀剂将Ti3AlC2中的Al溶解，在制备条件下最终形成棒状和纤维状的炭包裹复合材料。本发明专利技术制备工艺简单、易操作；原料易得，尤其是人工剩余林产物—木屑，廉价易得、绿色环保。该复合物材料对重金属离子的吸附能力较商业化的活性炭有很大的提高，是一种非常有市场和应用前景的污水处理材料，也可用于其它吸附技术领域。

A carbon-coated transition metal carbide composite material, its preparation method and Adsorption Application

The invention discloses a preparation method of carbon-encapsulated transition metal carbides (denoted as C@NaOTiCx) composite materials and their application in sewage treatment and adsorption containing heavy metal ions, belonging to the technical field of adsorption and sewage treatment. The composite adsorbent was successfully prepared with Ti3AlC2, glucose, cellulose or sawdust as raw materials and alkaline solution as solvent at 120 220 (?) C and 24 96h. The product was rod-like or fibrous nanostructure. The product was prepared by hydrothermal/solvothermal method in one step. In this system, Al in Ti3AlC2 was dissolved by alkaline solution as etchant, and rod-like and fibre-like carbon-coated composites were formed under the preparation conditions. The preparation process of the invention is simple and easy to operate, and raw materials are easily available, especially sawdust, a product of artificial residual forest, which is cheap, easy to obtain and green and environmental protection. The adsorptive capacity of the composite material for heavy metal ions is much higher than that of commercial activated carbon. It is a very promising wastewater treatment material with market and application prospects. It can also be used in other adsorption technology fields.

【技术实现步骤摘要】
一种炭包裹的过渡金属碳化物复合材料、制备方法及其吸附用途
本专利技术属于污水水处理吸附剂制备
，具体涉及一种炭包裹棒状或纤维状复合材料制备并应用于重金属离子吸附处理的应用。
技术介绍
随着人们环保意识和健康意识的增强，人们对于河流、湖泊及生活用水的水质提出了更高的要求，并且干净的水源也有利于动物和植物的健康生长，为人类提供更丰富的资源和生活环境。通过污水处理技术可以显著改善水质，在众多水处理方法中，吸附法可用于脱除水中的耗氧有机物、酚类有机物、含磷和含氮有机物、重金属（如铅、铬、汞、镉、铜等）、以及放射性元素等。活性炭是一种最常用的吸附剂之一，有较强吸附能力和较宽的应用范围。活性炭含有C、O、H等元素，其表面的官能团比较丰富，包括羧基、内脂型羧基、酚羟基和羰基等，丰富的官能团会使活性炭的表面化学性质多样化，它还具有丰富孔隙结构和大的比表面积，使其在气体净化和污水处理方面有广泛的应用。随着我国环保标准的提高，水质检测标准也提到新的高度，因此，这对吸附剂的要求也越来越苛刻。在新型吸附剂的寻求与研发中，高的吸附性能成为关键和核心问题之一。过渡金属碳化物具有很高的溶点、硬度、极高的热稳定性和机械稳定性、在室温下几乎耐各种化学腐烛，可用作吸附剂的载体。同时又有具有特异性活性基团，可以与金属离子作用，因此可用于金属离子吸附、光催化降解有机污染物、营养性污染物处理、去除放射性核素。由于活性炭的吸附特性取决于它的孔隙结构、比表面积、表面化学性质以及它们在污水中的分散情况和接触状况等，因此可以通过改变上述性质来提高它的吸附能力。目前商业化的活性炭能有效能有效地去除水的色度、臭味，可去除二级出水中大多数有机污染物，但由于其表面的化学性质，使其对重金属离子的吸附能力十分有限。CN105233790A专利公开了“一种改性活性炭的制备方法”，此专利技术以活性炭为原料，采用有机试剂“二甲基丙烯酸乙二醇酯与三氯化硼三甲胺络合物、乙二酸、苄基三乙基氯化铵”改性该活性炭。上述专利技术与本专利技术相比，一是对镉的吸附量只有43.5mg/g；二是上述专利技术采用有机试剂改性活性炭，不但经济成本较高，而且还引入了新的有机物。而本专利技术一是对Cd的吸附量可达63.7mg/g，二是没有引入任何有机试剂，三是可采用农林废弃物木屑作为原料制备，废物再利用，提高其附加值。CN105032353A专利公开了“一种改性活性炭的制备方法及改性活性炭的应用”，此专利技术以废弃活性炭为原料，将活性炭加入到硝酸铜溶液中浸渍，在700～900℃下焙烧制备得到改性活性炭。上述专利技术与本专利技术相比，一是焙烧温度高，耗能高；二是采用超声器、微波器等制设备，这造成生产建设成本增加。而本专利技术是采用水热法制备材料，反应温度低，无需上述设备，而且不需要焙烧产品或中间产品，耗能低。
技术实现思路
本专利技术提供一种能有效地去除重金属离子的炭包裹纳米复合材料C@NaOTiCx的制备方法，以提高了重金属离子吸附性能。本专利技术的第一个方面，提供了：一种炭包裹的过渡金属碳化物复合材料，其是以棒或者纤维状碳化钛为载体，其表面包裹或负载有活性炭。在一个实施例中，所述的棒状或者纤维状多孔碳化钛为载体是以Ti3AlC2粉末为原料经过强碱溶液刻蚀得到的。在一个实施例中，所述的载体的宽度或直径为25-100nm，长度为1-100μm。本专利技术的第二个方面，提供了：一种炭包裹的过渡金属碳化物复合材料的制备方法，包括如下步骤：第1步，在室温下，将Ti3AlC2粉末在强碱性溶液中搅拌分散均匀；第2步，在第1步得到的悬浮液中加入碳源，并进行水热合成，刻蚀除Al，同时碳源形成炭材料；第3步，将第2步得到的产物滤出、洗涤、干燥，得到复合材料。在一个实施例中，所述的强碱性溶液是NaOH或者KOH溶液。在一个实施例中，所述的强碱性溶液的质量浓度2-20mol/L。在一个实施例中，所述的碳源是指含有表面含有羟基的碳源材料。在一个实施例中，所述的碳源是指葡萄糖、纤维素或木屑。在一个实施例中，所述的Ti3AlC2粉末与碳源的质量比是0.5-5:1。在一个实施例中，所述的水热合成反应时间为24-96h，反应温度为120-220℃。在一个实施例中，所述的产物滤出是通过过滤或离心回收固体沉淀物。在一个实施例中，所述的洗涤是先用蒸馏水洗涤至中性再用乙醇润洗。在一个实施例中，所述的干燥是60-100℃下干燥。本专利技术的第三个方面，提供了：上述的炭包裹的过渡金属碳化物复合材料在用于吸附分离中的用途。在一个实施例中，所述的吸附分离是指重金属离子的吸附。在一个实施例中，所述的重金属离子是Cd(II)或者Cu(II)。本专利技术的第四个方面，提供了：Ti3AlC2粉末在用于活性炭吸附材料的载体中的用途。有益效果1)农林废弃资源再利用。本专利技术可采用木屑为原料（绿色、廉价和易得）制备一种炭包裹纳米复合材料C@NaOTiCx，使其具有高的重金属离子吸附能力。2)采用水热法，制备工艺简单，过程无氟和其它有机溶剂。常见的Ti3AlC2刻蚀剂采用HF等强酸。本专利技术采用碱式水热法生产过程无氟或有机溶剂。得到棒状或纤维状纳米结构，在液相体系中非常有利于回收再利用。3)无需高温焙烧，能耗低。大多数活性炭活化都要经过400～800℃的高温焙烧，本专利技术只采用简单的水热法，能耗低。4)重金属离子吸附能力强。本专利技术生产的过渡金属碳化物/活性炭纳米复合纤维材料，对重金属离子有高的吸附能力，吸附能力是商业化的活性炭的2-8倍。附图说明图1为本专利技术炭包裹纳米复合材料C@NaOTiCx制备方法的工艺流程图；图2为实施例2中单独的Ti3AlC2经过碱液刻蚀处理之后的Ti3AlC2纤维SEM图；图3为本实施例2中炭包裹纳米复合材料Glu@NaOTiCx-2的透射电子显微镜(TEM)图；图4为本实施例2中炭包裹纳米复合材料Glu@NaOTiCx-2、原料Ti3AlC2，水热炭的X射线衍射(XRD)图。具体实施方式下面通过具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。但本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限定本专利技术的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。以范围形式表达的值应当以灵活的方式理解为不仅包括明确列举出的作为范围限值的数值，而且还包括涵盖在该范围内的所有单个数值或子区间，犹如每个数值和子区间被明确列举出。例如，“大约0.1%至约5%”的浓度范围应当理解为不仅包括明确列举出的约0.1%至约5%的浓度，还包括有所指范围内的单个浓度（如，1%、2%、3%和4%）和子区间（例如，0.1%至0.5%、1%至2.2%、3.3%至4.4%）。在本说明书中所述及到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施方式”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本申请所要保护的范围内。本专利技术提供了一种复合材料，其是以棒状多孔碳化钛为载体，其表面负载有活性炭。所述的载本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种炭包裹的过渡金属碳化物复合材料，其特征在于，其是以棒状或者纤维状碳化钛为载体，其表面包裹或负载有吸附活性炭材料。

【技术特征摘要】
1.一种炭包裹的过渡金属碳化物复合材料，其特征在于，其是以棒状或者纤维状碳化钛为载体，其表面包裹或负载有吸附活性炭材料。2.根据权利要求1所述的炭包裹的过渡金属碳化物复合材料，其特征在于，所述的棒状或者纤维状碳化钛为载体是以Ti3AlC2粉末为原料经过强碱溶液刻蚀得到的；所述的载体的宽度或直径为25-100nm，长度为1-100μm。3.权利要求1所述的炭包裹的过渡金属碳化物复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：第1步，在室温下，将Ti3AlC2粉末在强碱性溶液中搅拌分散均匀；第2步，在第1步得到的悬浮液中加入碳源，并进行水热合成，刻蚀除Al，同时碳源形成炭材料；第3步，将第2步得到的产物滤出、洗涤、干燥，得到复合材料。4.根据权利要求3所述的炭包裹的过渡金属碳化物复合材料的制备方法，其特征在于，所述的强碱性溶液是NaOH或者KOH水溶液；所述的强碱性溶液的质量浓度2-20mol/L；所述的碳源...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴光，董新生，王亚权，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32