竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料及其制备方法技术

一种竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料及其制备方法，属于污染水体修复技术领域。所述复合材料包括分级多孔生物碳和形成于分级多孔生物碳表面的竹节状碳纳米管，其中，所述竹节状碳纳米管为似空心竹节的管状结构，管径为30～100nm，管内分散有粒径10～20nm的金属纳米颗粒；所述分级多孔生物碳为带多孔结构的颗粒，包括孔径为2nm～50nm的中孔和孔径小于2nm的微孔，其比表面积为200～400m

Bamboo like carbon nanotubes / graded porous biochar composite and its preparation

【技术实现步骤摘要】
竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料及其制备方法
本专利技术涉及一种竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料及其制备方法，制备所得的复合材料用于催化过硫酸盐降解有机污染物的污染水体修复领域。
技术介绍
随着我国工业的高速发展，大量排放的有机污染物进入水体，其中包含染料、抗生素、农药、杀虫剂等，对动物和人类的健康带来了严重的影响。而传统水处理工艺比如吸附、分离并不能对其进行有效处理，目前高级氧化工艺(AOPS)是处理水中有机污染物的最高效的技术。高级氧化工艺(AdvancedOxidationProcesses，AOPs)是近年来发展起来的新技术，由Glaze等首次提出，是目前处理难降解有机物的最有效方法。高级氧化工艺由于具有产生强氧化性物质的能力，能够将有机污染物降解成无毒或低毒的小化合物，甚至是彻底降解成无害的二氧化碳和水，引起了越来越多的关注。传统的高级氧化技术，比如芬顿(Fenton)氧化法和类芬顿氧化法通常存在产生大量的含铁污泥、H2O2利用率低下等问题。活化过硫酸盐是一种新型的高级氧化工艺，通常采取Co2+、Cu2+等为催化剂，催化过硫酸盐产生硫酸根自由基，氧化有机污染物，矿化为CO2和H2O；但是Co2+、Cu2+等容易进入水体，带来重金属污染的风险，另外催化剂难以回收，成本高，同时，催化活性不高，一般需要借助紫外光、超声波、臭氧等进行辅助，导致费用高、能耗大等问题，限制了它们的实际应用。在活化过硫酸盐的领域，碳基材料和铁基材料，由于其价格低廉、环境友好、不会带来二次污染，在活化过硫酸盐的高级氧化工艺中显示出极其诱人的前景。通过对现有的技术文献的检索发现，张倩等在《中国环境科学》2019，39(09)上发表Fe/污泥基生物炭持久活化过硫酸盐降解酸性橙G；王森等在《环境工程学报》2019，05上发表Fe2+活化过硫酸盐对市政污泥EPS性能的影响；刘美琴等在《中国环境科学》2018，38(04)上发表Fe2+活化过硫酸盐耦合活性炭深度处理焦化废水；还有一些用碳纳米管和石墨烯作为活化剂的报道，碳纳米管和石墨烯具有高的比表面积和高度的石墨化C提供了大量的催化活性位点，传导电子能力强，机械性能优良，耐酸碱性良好等优势，是目前研究的热点。合成碳纳米管和石墨烯的方法有许多，但是这些方法都工艺复杂、能耗和成本高。而本专利技术通过极少的过渡金属，在生物质废料协同作用下，原位生成了金属颗粒包封于竹节状的超长碳纳米管，旨在提供一种新的方法来合成碳纳米管，以解决传统方法中的耗时长、耗能高、纯度低、反应操作繁琐等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对
技术介绍
存在的缺陷，提出了一种竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料及其制备方法。本专利技术通过极少量的过渡金属，在废弃的生物质协同作用下，原位生成了金属颗粒包封于竹节状的超长碳纳米管，在简化传统碳纳米管合成方法的同时，也保证了所合成出来的碳纳米管的比表面积大、管径小，金属颗粒粒径小、催化降解性能好和传导电子能力强等优点，从而为生产高性能的金属包封于碳纳米管的材料提供了新的制备方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料，其特征在于，所述复合材料包括分级多孔生物碳和形成于分级多孔生物碳表面的竹节状碳纳米管，其中，所述竹节状碳纳米管为类似空心竹节的管状结构，管径为30～100nm，管内分散有粒径10～20nm的金属纳米颗粒(Fe纳米颗粒、Mn纳米颗粒、Co纳米颗粒、Ni纳米颗粒等)；所述分级多孔生物碳为多孔结构的颗粒，包括孔径为2nm～50nm的中孔和孔径小于2nm的微孔，分级多孔生物碳的比表面积为200～400m2/g。一种竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、取打豆浆过滤废弃的豆渣作为生物质来源，清洗、烘干、过筛后，得到豆渣粉末；然后将得到的豆渣粉末在300～500℃下热处理1～4h，进行碳化，完成后，自然冷却至室温，取出，洗涤，干燥，得到粉末A；步骤2、将步骤1得到的粉末A与氢氧化钾按照质量比为1：(1～8)的比例加入去离子水中，充分混合，得到混合液A，其中，混合液A中氢氧化钾的浓度为4～8mol/L；步骤3、将步骤2配制的混合液A在室温下磁力搅拌3～6h，完成后，分离，烘干，得到粉末B；步骤4、将步骤3得到的粉末B置于管式炉内，在氮气或氩气保护下、700～900℃温度下活化2～6h，完成后，自然冷却至室温，取出，洗涤，干燥，即可得到分级多孔生物碳；步骤5、将过渡金属盐、氮源和步骤4得到的分级多孔生物碳加入去离子水中，搅拌混合均匀，得到混合液B；其中，所述过渡金属盐、分级多孔生物碳以及氮源的质量比为1：(2～5)：(10～40)，混合液B中分级多孔生物碳的质量浓度为3～5g/L；步骤6、将步骤5得到的混合液B在室温条件下搅拌4～10h，完成后，置于旋转蒸发仪中，在温度为60～80℃、转速为100～120rpm的条件下将溶剂蒸干，得到的固体充分研磨，得到粉末C；步骤7、将步骤6得到的粉末C置于管式炉内，在氮气或氩气保护下，先以1～5℃/min的速率升温至400～500℃，保温1～3h，再以1～5℃/min的速率升温至700～900℃，保温1～4h，完成后，自然冷却至室温，取出，洗涤，干燥(在真空烘箱中60～80℃干燥6～15h)，即可得到所述竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料，经扫描电镜和透射电镜检测其形貌为分级多孔生物碳以及原位生长的竹节状碳纳米管。进一步地，步骤1所述生物质来源为任何一种方法磨豆浆后过滤得到的废弃物，包括传统的石磨以及各种豆浆机打浆剩余的豆渣。进一步地，步骤2所述氢氧化钾还可以采用氯化锌、氢氧化钠、碳酸钾等代替。进一步地，步骤4所述氮气或氩气的流量为30～120mL/min，升温速率为2℃/min。进一步地，步骤5所述过渡金属盐为FeCl3、Fe(NO3)3、MnCl2、CoCl2、NiCl2、Mn(NO3)2、Co(NO3)2、Ni(NO3)2的中的任意一种或几种，所述氮源为尿素、双聚氰胺、三聚氰胺中的任意一种。进一步地，步骤7所述氮气或氩气的流量为40～60mL/min。优选地，步骤1中热处理温度为400℃，时间为2h。本专利技术还提供了上述竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料在催化降解水体中有机污染物和抗生素中的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术提供的一种竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料，金属颗粒被包封于碳纳米管中，克服了目前极为关注的金属溶出造成二次污染带来的健康风险的问题。2、本专利技术提供通过极少的金属，在废弃的生物质协同作用下，原位生成了金属包封于竹节状的超长碳纳米管，以解决传统方法中的耗时长、耗能高、纯度低、反应操作繁琐等问题。3、本专利技术竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料具有比表面积大、管径小、金属颗粒粒径小、催化降解性能好和传导电子能力强等优点。4、本专利技术提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料，其特征在于，所述复合材料包括分级多孔生物碳和形成于分级多孔生物碳表面的竹节状碳纳米管，其中，所述竹节状碳纳米管的管径为30～100nm，管内分散有粒径10～20nm的金属纳米颗粒；所述分级多孔生物碳为多孔结构的颗粒，包括孔径为2nm～50nm的中孔和孔径小于2nm的微孔。/n

【技术特征摘要】
1.一种竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料，其特征在于，所述复合材料包括分级多孔生物碳和形成于分级多孔生物碳表面的竹节状碳纳米管，其中，所述竹节状碳纳米管的管径为30～100nm，管内分散有粒径10～20nm的金属纳米颗粒；所述分级多孔生物碳为多孔结构的颗粒，包括孔径为2nm～50nm的中孔和孔径小于2nm的微孔。


2.一种竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、取打豆浆过滤废弃的豆渣作为生物质来源，清洗、烘干、过筛后，得到豆渣粉末；然后将得到的豆渣粉末在300～500℃下热处理1～4h，进行碳化，完成后，自然冷却至室温，取出，洗涤，干燥，得到粉末A；
步骤2、将步骤1得到的粉末A与氢氧化钾按照质量比为1：(1～8)的比例加入去离子水中，充分混合，得到混合液A，其中，混合液A中氢氧化钾的浓度为4～8mol/L；
步骤3、将步骤2配制的混合液A在室温下搅拌3～6h，完成后，分离，烘干，得到粉末B；
步骤4、将步骤3得到的粉末B置于管式炉内，在氮气或氩气保护下、700～900℃温度下活化2～6h，完成后，自然冷却至室温，取出，洗涤，干燥，即可得到分级多孔生物碳；
步骤5、将过渡金属盐、氮源和步骤4得到的分级多孔生物碳加入去...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文瑾，朱科，慎雅倩，何东东，宾琼，丁健，王儒杰，冷庚，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51