一种利用涉重金属生物质制备高效能的超级电容器材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用涉重金属生物质制备高效能的超级电容器材料的方法。针对目前涉重金属植物体探寻合适的资源化方法，开拓新的研究领域，提出本发明专利技术。本技术发明专利技术提出，对普遍矿山富集重金属的植物体进行采样（五点采样法），采取的植物体（包括根、茎、叶）进行清洗、干燥、粉碎、干燥等预处理步骤，提出将干燥好的植物叶粉末通过溶解、活化、热解等过程得到高效的多孔炭材料的制备方法；不仅可以有效固定植物转移的重金属，而且可以作为超级电容器的电极材料应用于储能。既部分解决了转移的重金属二次流失的难题，又为储能应用提供新的电容材料，实现生物质固废资源化利用，有效解决涉重金属植物体资源化问题。

【技术实现步骤摘要】
一种利用涉重金属生物质制备高效能的超级电容器材料的方法
本专利技术涉及一种利用涉重金属生物质制备高效能的超级电容器材料的方法，属于环境治理与资源化

技术介绍
世界上大多数的工业国家都面临严重的重金属污染问题，因此开发有效的植物修复法，清除环境中的过量重金属已是刻不容缓的事情。中国是矿产资源开采大国，矿产地区的污染自然也较严重，人们平时看到的极不起眼的植物可以生长在重金属污染的土壤中，尤其是在污染严重的矿产土壤中，扮演超级清道夫的角色，环境逆境来临时，唯有透过生物多样性的维护，才能确保生物生生不息及地球的永续发展。目前现有的环境污染土壤修复技术通常采用物理和化学方法，如排土壤埋法、稀释法、淋洗法、物理分离法和稳定化及化学法等。成本高，难于管理，易造成二次污染，且对环境扰动大。近年来生物修复技术因其成本低，适合大规模的应用。其中，植物修复技术属于原位修复技术，其成本低、二次污染易于控制，植被形成后具有保护表土、减少侵蚀和水土流失的功效，可大面积应用于矿山的复垦、重金属污染场地的植被与景观修复。但是富集重金属植物体不能稳定的固定重金属，并且这些植物体不能充分资源化利用。目前关于超富集重金属后的植物的产后处置主要是借鉴废弃物的处理技术，如堆肥法，堆肥法有以下优点：能大大减少所处理物质的体积和水分含量，减免或降低对处理植物的一个运输成本和其他方法处理可能存在的一些后续处理成本，处理的经济成本降低了，但该方法在本质上并没有解决超富集植物所富集重金属可能带来的环境威胁，通过堆肥，重金属还是存在于植物中，并没有从植物本身中被去除掉，只是形态上发生了变化，如果管理不善，很容易造成“二次污染”。如若将通过堆肥法处理过的超富集植物施用于农田，这对作物可能存在重金属循环毒害的风险。压缩填埋法处理这一类植物也存在一个严峻的挑战，如何安全妥善的处理该方法中在压力迫使下所处理植物残体产生的具有高重金属浓度的渗滤液，故还需要特殊的填埋场地来继续处理。焚烧法可以作为废弃植物的一种环境友好的产后处置方法，它能最大限度的减少被处理植物的体积和质量，很好的达到了减量化的效果，但该方法仍然还存在着一些未知的待研究探讨的方面，如被处理的超富集植物所富集的重金属在焚烧飞灰中的分布形态，不同粒径下的飞灰中重金属赋存形态如何变化，植物焚烧灰如何有效利用，如何提取和转化飞灰中可能存在重金属，以及如何通过提高热处理设备的热解率，节约焚烧处理的处理成本等问题。因此，焚烧法安全高效的运用于处理产后的修复植物仍然有很长一段路要走。上述的超富集植物的后续处理方法，其处理工艺比较单一，大多可以笼统的运用于一般固体废物的处理，而且涉重金属没有实现有效方法利用，重金属返回到环境引起二次污染。后续处理超富集植物，首先考虑的应是其所含重金属、类金属的回收利用，但相关领域的研究还都处于实验阶段，这些方法对超富集植物有一定的减量化、减少体积和回收重金属等优势，但是也分别存在着大气污染严重、成本高以及渗滤液存在泄露风险等缺陷。所以，目前为超富集植物探寻合适的处置及资源化方法，对这个相对来说空白的研究领域来说，具有现实意义。近年来，一类新的储能器—超级电容器，超级电容器具有高的功率密度、高的能量密度、长的使用寿命及良好的低温特性等特点，因此引起越来越多的人们关注。相比之下，传统电池虽然能量密度高，但功率密度低，限制电池的快速充放电；超级电容器虽然能量密度低，但具有高的功率密度（约10kWkg-1）。生物质炭已经成功地应用在土壤修复、燃料电池和超级电容器等各个方面，作为碳前驱体制备生物质活性炭材料，应用于超级电容器和燃料电池，已经成为了研究的焦点，大量的文献报道了其优越的电化学储能性能，作为新一代的环境友好型储能材料，具有无限的发展潜力。综上所述，植物制备储能材料，并且具有高效的电容性能，本专利技术首次提出使富含重金属污染的植物体再利用转化为储能材料的新方法来处理修复植物，也是迫切需要的资源化方式。
技术实现思路
本专利技术提出一种有效固化污染植物体的重金属的方法，并且资源化利用废弃的植物制备高效储能材料以及储能性能研究。针对目前大量修复植物探寻合适的处置及资源化方法，开拓新的研究领域，提出本专利技术。本技术专利技术提出，对普遍矿山污染性植物体进行采样（五点采样法），采取的植物体进行清洗、干燥、粉碎、干燥等预处理步骤，提出将干燥好的植物叶粉末通过溶解、活化、热解等过程得到高效的活性炭材料的制备方法；不仅可以固定植物转移的重金属，而且可以作为超级电容器的电极材料应用于储能。此过程操作简单易实现。本专利技术所述的采取的植物是具有土壤修复、转移重金属功能的植物，包括玉米秸秆、芒草叶、马尾松、鬼针草、香根草、向日葵等多种植物，其采样方法采用五点采样法，使结果具有普遍意义。本专利技术所述的用于溶解植物粉末的溶剂，溶剂具有良好的溶解有机物的效果，包括氨水、酸、碱等溶剂。本专利技术所述的使用植物叶粉末通过溶解、活化、热解等过程得到高效的活性炭材料的制备方法，具体实验步骤如下：A：取植物粉末于可溶解的溶剂（10-50mL）中搅拌12h，得到a混合溶液；B：取少量表面活性剂聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物（P123，1-3g）于一定量无水乙醇中，于水浴锅（30-40℃）中搅拌12h，得到b混合溶液；C：将a溶液和b溶液混合搅拌数小时，之后在上述混合液中加入尿素（1-4g）并搅拌一定时间，然后加入活化剂到上述混合液中并搅拌12h；D：将上述混合液在水浴加热（50-80℃）下搅干（约2-6h），然后将上述混合物放入管式炉中（惰性氛围，一定温度）热解；E：最后用盐酸和水清洗样品直到pH为中性，然后过滤，干燥，得到高效的活性炭材料。将本技术专利技术的活性炭材料和粘结剂在水和乙醇的混合液中均匀混合后压成碳片；然后将碳片放入马弗炉中，以一定的升温速率，150℃恒温一定时间（2-5h），凉至常温取出；最后将薄片切成1cm*1cm的正方形，在10MPa的压力下压在泡沫镍集流体上制得超级电容器的工作电极。工作电极和对电极、参比电极构成三电极体系进行研究高效的电容特性，进一步探究其良好的稳定性以及应用。本专利技术所述的对电极，是包括Pt等不参与反应的稳定电极。本专利技术所述的参比电极，是包括饱和氯化银、饱和甘汞等不参与反应的稳定电极。本专利技术制备的既可以固定重金属，又作为高效的电容型炭材料，具有良好的电容特性、优良的稳定性和低廉的成本，是电化学储能和转化应用的有前景的候选材料之一。附图说明图1是本专利技术的制备电容型活性炭材料流程示意图。其中，1、采取的植物体，2、预处理过程（清洗、干燥、粉碎、干燥），3、氨水，4、表面活性剂的乙醇溶液，5、混合搅拌，6、尿素，7、活化剂，8、水浴加热搅拌，9、高温热解，10、炭材料。图2是本专利技术所制备的新型多级孔生物质炭材料的扫描电镜图谱。图3、图4、图5、图6和图7分别是本专利技术的实施例中1、2、3、4和5高效的电容型炭材料的电化学恒电流充放电研究图。具体实施方式为了更好地说明本专利技术的技术特征，下面通过具体的实施案例进行说明，但实施例并不对做本专利技术任何形式的限定。实施例1在大宝山矿区采取的玉米秸秆叶进行清水清洗、干燥、粉碎、干燥等预处理步骤后，密封储存在器皿中备用。取1g上述玉米秸秆叶粉末，在20m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用涉重金属生物质制备高效能的超级电容器材料的方法，其特征在于不同类型的富集重金属植物的采集；植物用于制备超级电容器材料的制备方法：采取的植物体进行清洗、干燥、粉碎、干燥等预处理步骤，提出将干燥好的植物叶粉末通过溶解、活化、热解等过程，从而制得高效能的超级电容器材料。

【技术特征摘要】
1.一种利用涉重金属生物质制备高效能的超级电容器材料的方法，其特征在于不同类型的富集重金属植物的采集；植物用于制备超级电容器材料的制备方法：采取的植物体进行清洗、干燥、粉碎、干燥等预处理步骤，提出将干燥好的植物叶粉末通过溶解、活化、热解等过程，从而制得高效能的超级电容器材料。2.根据权利要求1中一种利用涉重金属生物质制备高效能的超级电容器材料的方法，其特征在于用于所述的采取的植物种类，即具有富集重金属的植物修复作用的植物，包括秸秆、芒草叶、马尾松、鬼针草、香根草、向日葵、甜高粱等多种类型植物，用于研究的是植物的根或茎或叶。3.根据权利要求1中一种利用涉重金属生物质制备高效能的超级电容器材料的方法，其特征在于用于所述的植物用于制备超级电容器材料的制备方法，包括以下步骤：A：取植物粉末于可溶解的溶剂（10~50ml）中搅拌12h，得到a混合溶液；B：取少量表面活性剂聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物（P123，1~3g）于一定量无水乙醇中，于水浴锅（30~40℃）中搅拌12h，得到b混合溶液；C：将a溶液和b溶液混合搅拌数小时，之后在上述混合液中加入尿素（1~4g）并搅拌一定时间，然后加入活化剂到上述混合液中并搅拌12h；D：将上述混合液在水浴加热（50~80℃）下搅干（约2~6h），然后将上述混合物放入管式炉中（惰性氛围，一定温度）热解；E：最后用盐酸和水清洗样品直到pH为中性，然后过滤，干燥，得到高效的活性炭材料。4.根据权利要求3中所述超级电容器材料的制备方法，其特征在于用于所述的用于溶解植物粉末的溶剂，溶剂具有良好的溶解有机物的效果，包括氨水、酸、碱等溶剂。5.根据权利要求3中所述超级电容器材料的制备方法，其特征在于用于所述的用于制备超级电容材料的的活化剂，包括氢氧化钾、磷酸、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸氢钾、氯化锌等具有活化率高的活化...

【专利技术属性】
技术研发人员：严凯，张曼，陈作，仇荣亮，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44