一种PVC废旧塑料制备的多孔碳材料电吸附金属离子的方法技术

一种PVC废旧塑料制备的多孔碳材料电吸附金属离子的方法，属于废旧塑料处理、转化及电吸附水处理技术领域，包括如下步骤：(1)将废旧PVC塑料于强极性溶剂中溶胀后，加入无机强碱以及掺杂源，室温研磨一定时间可以得到多孔掺杂型碳材料。(2)通过高温焙烧前驱物，经过水清洗除掉无机盐、离心、干燥等步骤，即可得到可用于离子吸附的基于PVC废旧塑料制备的掺杂型多孔碳。(3)将得到的多孔掺杂型碳材料制备电吸附的电极材料，用于处理金属离子的应用。各金属离子的吸附容量均大于50mg/g。本发明专利技术提供PVC废旧塑料的简单、清洁、环保的处理方法，利用电吸附技术实现对金属离子的处理。

A Method of Electroadsorption of Metal Ions on Porous Carbon Material Prepared from Waste PVC Plastics

A method for electroadsorption of metal ions on porous carbon materials prepared from waste PVC plastics belongs to the field of waste plastics treatment, transformation and electroadsorption water treatment technology. It includes the following steps: (1) After swelling waste PVC plastics in strong polar solvents, adding inorganic strong alkali and doping source, porous doped carbon materials can be obtained by grinding at room temperature for a certain time. (2) By calcining precursors at high temperature, removing inorganic salts, centrifuging and drying by water cleaning, doped porous carbon based on waste PVC plastics for ion adsorption can be obtained. (3) The porous doped carbon material was used to prepare electroadsorptive electrode material for the treatment of metal ions. The adsorption capacity of each metal ion is more than 50 mg/g. The invention provides a simple, clean and environmentally friendly treatment method for waste PVC plastics, and realizes the treatment of metal ions by using electroadsorption technology.

【技术实现步骤摘要】
一种PVC废旧塑料制备的多孔碳材料电吸附金属离子的方法
本专利技术属于废旧塑料处理、转化及电吸附水处理
，具体涉及一种PVC废塑料的处理、转化及通过电吸附技术处理金属离子的方法。
技术介绍
中国PVC塑料行业这些年疾速开展，加速了PVC塑料研制和推广应用的脚步，其产销量规模稳居全球首位。据报道，2015年我国聚氯乙烯产量达到2348万吨/年，PVC塑料已经广泛应用我们生活的各个领域。PVC的消费主要分为两大部分，一是软制品，主要包括电线电缆、各种用途的膜、铺地材料、织物涂层、人造革、各类软管、手套、玩具、塑料鞋以及一些专用涂料和密封剂等；二是硬制品，主要包括各种型材、管材、板材、硬片、瓶等。我国每年产生的PVC废弃塑料约500万吨，由于它耐腐蚀、不易分解特性，尤其是一次性塑料包装废弃物、塑料农地膜被人们随意丢弃而造成视觉污染——白色污染。PVC塑料存在的三种处理方式：掩埋，焚烧或者回收。现今，已有260-290万吨的PVC废料被填埋，有60万吨废料被焚烧处理，同时只有10万吨废料得到回收利用。回收利用率仍处于一个很低的水平，回收总量低于3％。并且焚烧产生大量有毒气体，掩埋在底下的PVC塑料仍不能分解反而进一步造成土壤和水源污染。因此，寻找切实可行的废塑料处理方法迫在眉睫。PVC是含有卤素元素的高聚物，可以在室温条件下和无机碱发生脱卤反应。而在生产PVC过程中有副产物氧化钙产生，它可以作为无机碱与PVC反应生成多孔碳材料。但是不同的废旧PVC塑料具有不同的添加剂、不同的降解程度、不同的杂质，选择何种废旧PVC塑料进行优选的碳化工艺制备多孔碳材料用于电吸附金属离子是工业化和环保的重要方向；废旧PVC塑料具有不同的添加剂、不同的降解程度、不同的杂质对多孔碳材料制备有何影响，尤为未知，并且制备的碳材料对电吸附金属离子有何影响也不知。目前，利用脱卤反应处理废旧PVC塑料，生产硫氮双掺杂多孔碳材料的方法鲜有报道。电吸附法，又称电容去离子技术，是近年发展起来的一种新型的高效率、低能耗、无二次污染的水处理技术(参见文献：Adv.Funct.Mater.2014，24，3917-3925；Adv.Mater.2013，25，6270-6276；Nanoscale2012，4，5440-5446)。在环境污染日益严峻、水资源短缺的情况下，电吸附技术已经吸引了国内外研究者的广泛关注，其应用领域涉及工业废水处理、工业除盐处理、苦咸水淡化、甚至海水淡化等多个方面(参见文献：Electrochim.Acta2014，137，388-394；Carbon2012，50，2315-2321；J.Mater.Chem.2012，22，15556-15561)。多孔碳材料，例如纳微孔碳，由于其具有特殊的孔道结构和超高的比表面积，使其成为一种非常有潜力的电吸附电极材料。目前已有将包含多孔碳材料的电极用于海水除盐的报道，但是金属离子处理的报道较少。尤其是来自于废旧塑料制备的多孔氮硫双掺杂的碳材料用于吸附水中的重金属离子未见报道。此方法应用于治理污水，提出了一种“以废治废”变废为宝的环保路线。以此思路，我们提出本专利技术。本专利技术是探索一种废旧PVC塑料为碳源合成硫氮双掺的多孔碳，通过电吸附技术用于金属离子处理的方法。
技术实现思路
本专利技术涉及一种PVC废旧塑料的清洁环保的处理方法，将其转化成氮硫掺杂的多孔掺杂碳材料，所制备的多孔掺杂碳电极材料通过电吸附技术去除水中金属离子的方法。其制备方法基于有机脱卤反应，卤化高分子可在强碱作用下较低温度(如室温)即可发生脱官能团反应及后续碳化反应。脱官能团时，当其周围有掺杂组分时，还可以快速的与这些掺杂组分进行偶联。用废旧PVC塑料合成硫氮双掺杂的多孔碳通过电吸附技术进行金属离子吸附的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将废旧PVC塑料物理切割成碎屑，溶于强极性溶剂，然后加入无机强碱、硫源和氮源，室温球磨2h后，即完成PVC废料的清洁、高效、环保的处理；其中强极性溶剂选自氮氮二甲基甲酰胺、氮氮二甲基乙酰胺、乙酰胺、甲酰胺、氮甲基吡咯烷酮等，无机碱选自氢氧化钾、氢氧化钠等，硫源和氮源选自S粉、硫代乙酰胺、三聚氰胺、二氰二胺、氰胺、甲胺、乙胺，硫脲、二甲亚砜等；(2)将球磨后产物在60-80℃烘箱中烘干，得到氮硫双掺的多孔碳的前驱物；(3)将干燥的前驱物在惰性气体保护下于管式炉中以0.5-100℃/min的升温速率升至300-1200℃焙烧0.1-24h；优选的温度为600-650℃，优选的时间为1-2小时；焙烧后的产物，经过数次水洗离心，在于60-120℃烘箱中烘干干燥，即可得到利用废旧PVC塑料合成硫氮双掺的多孔碳；(4)所制备的多孔碳材料通过电吸附技术处理重金属离子；PVC废旧塑料选自废旧PVC文件袋、废旧PVC管、废旧PVC膜、废旧PVC桌布。废旧塑料中除了主要成份PVC外，还含有不同的添加剂，如增塑剂、填料、稳定剂。根据添加剂的种类和酸碱性不同，需要调整无机强碱的用量，硫源和氮源的种类和用量。如为了改善中性溶液中的电化学性能，合成废旧塑料PVC膜转化碳材料时，需要增加1.5倍硫源和氮源的量。此外，由于添加剂的差异，各种废旧塑料制品多孔掺杂碳材料在酸碱性不同的溶液中表现出不同的电化学性能。金属离子溶液呈中性时，选择废旧PVC文件袋转化碳材料电极最好；金属离子溶液呈碱性时，选择废旧PVC膜转化碳材料电极最好；金属离子溶液呈酸性时，选择废旧PVC管转化碳材料电极最好。电吸附电极材料用于电吸附处理水溶液中的金属离子盐。如金属氯化物，金属硫酸盐，金属硝酸盐。金属离子中金属选钠、镁、铁、镍、镉、锌、铜、钴、铅等金属元素中的一种或是几种的组合。金属离子浓度为1mg/L-1000mg/L。各离子的吸附容量均大于50mg/g，超过各现存报道数值。尤其用于将镁、镍、铅离子混合溶液中的镍、铅选择性电吸附完全除去分离。本专利技术中使用的电吸附技术的优选测试方法是：工作电极的制备方法可以为将多孔掺杂碳材料、导电炭黑及粘合剂按质量份数为(75-85):(10-15)：(5-10)的配比混合，再溶于等质量的无水乙醇中，超声分散1-2h得到悬浮液，将此悬浮液均匀滴在集流体上作为工作电极，其中所述集流体可以为石墨纸或者钛片。对电极为石墨纸或碳电极材料，组装成电吸附电极模块，再将该电吸附电极模块组装到电吸附装置中进行使用。所述电吸附装置的主要部件由电源、电吸附电极模块、待吸附溶液槽和蠕动泵组成，其中电吸附电极模块、待吸附溶液槽和蠕动泵组成之间用管道连接。该电吸附装置在中国专利201310188790.6中有详细介绍，通过引用将其并入本文中。通过蠕动泵将含有待吸附金属离子盐溶液抽至该电吸附装置中，施加恒定直流稳压电压进行吸附；吸附过程结束后，施加反向电压可以使离子脱附至溶液中。本专利技术的有益效果：1、本专利技术的制备方法原材料来自于环境污染物-PVC废旧塑料，实现废物回收、利用、及附加值高的产品产出。所合成的氮硫双掺杂的多孔碳材料去处理废弃的金属离子，可以用于解决水短缺、水污染和能源等问题。实现了“以废治废”的环保路线。2、所开发的通过电吸附处理金属离子的技术与浓缩结晶、溶剂萃取等常规的处理方法相比，具有操作简单、成本低廉、安全性高、方便本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用废旧PVC塑料合成硫氮双掺杂的多孔碳通过电吸附技术进行金属离子吸附的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将废旧PVC塑料物理切割成碎屑，溶于强极性溶剂，然后加入无机强碱、硫源和氮源，室温球磨2h后，即完成PVC废料的清洁、高效、环保的处理；其中强极性溶剂选自氮氮二甲基甲酰胺、氮氮二甲基乙酰胺、乙酰胺、甲酰胺、氮甲基吡咯烷酮，无机碱选自氢氧化钾、氢氧化钠，硫源和氮源选自S粉、硫代乙酰胺、三聚氰胺、二氰二胺、氰胺、甲胺、乙胺，硫脲、二甲亚砜；(2)将球磨后产物在60‑80℃烘箱中烘干，得到氮硫双掺的多孔碳的前驱物；(3)将干燥的前驱物在惰性气体保护下于管式炉中以0.5‑100℃/min的升温速率升至300‑1200℃焙烧0.1‑24h；焙烧后的产物，经过数次水洗离心，在于60‑120℃烘箱中烘干干燥，即可得到利用废旧PVC塑料合成硫氮双掺的多孔碳；(4)所制备的多孔碳材料通过电吸附技术处理重金属离子。

【技术特征摘要】
1.一种用废旧PVC塑料合成硫氮双掺杂的多孔碳通过电吸附技术进行金属离子吸附的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将废旧PVC塑料物理切割成碎屑，溶于强极性溶剂，然后加入无机强碱、硫源和氮源，室温球磨2h后，即完成PVC废料的清洁、高效、环保的处理；其中强极性溶剂选自氮氮二甲基甲酰胺、氮氮二甲基乙酰胺、乙酰胺、甲酰胺、氮甲基吡咯烷酮，无机碱选自氢氧化钾、氢氧化钠，硫源和氮源选自S粉、硫代乙酰胺、三聚氰胺、二氰二胺、氰胺、甲胺、乙胺，硫脲、二甲亚砜；(2)将球磨后产物在60-80℃烘箱中烘干，得到氮硫双掺的多孔碳的前驱物；(3)将干燥的前驱物在惰性气体保护下于管式炉中以0.5-100℃/min的升温速率升至300-1200℃焙烧0.1-24h；焙烧后的产物，经过数次水洗离心，在于60-120℃烘箱中烘干干燥，即可得到利用废旧PVC塑料合成硫氮双掺的多孔碳；(4)所制备的多孔碳材料通过电吸附技术处理重金属离子。2.按照权利要求1所述的一种用废旧PVC塑料合成硫氮双掺杂的多孔碳通过电吸附技术进行金属离子吸附的方法，其特征在于，步骤(3)焙烧温度为600-650℃，时间为1-2小时。3.按照权利要求1所述的一种用废旧PVC塑料合成硫氮双掺杂的多孔碳通过电吸附技术进行金属离子吸附的方法，其特征在于，PVC废旧塑料选自废旧PVC文件袋、废旧PVC管、废旧PVC膜、废旧PVC桌布。4.按照权利要求1所述的一种用废旧PVC塑料合成硫氮双掺杂的多孔碳通过电吸附技术进行金属离子吸附的方法，其特征在于，根据添加剂的种类和酸碱性不同，需要调整无机强碱的用量，硫源和氮源的种类和用量；为了改善中性溶液中的电化学性能，合成废旧塑料PVC...

【专利技术属性】
技术研发人员：常铮，张茸茸，常营娜，张国新，孙晓明，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11