一种羧甲基磁性木质素基生物炭及制备方法技术

本发明专利技术公开一种羧甲基磁性木质素基生物炭及制备方法，以碱木素为基料，与赋磁剂和表面活性剂均匀混合后，在N

【技术实现步骤摘要】
一种羧甲基磁性木质素基生物炭及制备方法
本专利技术属于复合材料合成
和环境友好吸附剂材料领域，涉及一种羧甲基磁性木质素基生物炭及制备方法。
技术介绍
木质素是木质纤维素主要成分之一，主要来源于农业废弃物和农业工业副产品，作为一种来源丰富、价格低廉的可再生资源，从经济和环境的角度来看，木质素具有巨大的应用潜力，如今，木质素的回收和资源化利用备受瞩目。木质素基生物炭作为一种吸附剂，不仅制备原料成本低，而且孔隙结构丰富、比表面积大、孔结构高度发达、吸附能力强，因此被广泛应用于工业和环境污染治理等领域，并逐渐被用于替代其他较高成本的吸附剂。然而，由于未改性的生物炭往往对选择性吸附具有局限性，因此探究对生物炭的改性方法如羧甲基改性来增加生物炭表面官能团，提高其对吸附质的选择性吸附能力是实现对生物炭吸附剂的高效利用手段之一。目前，生物炭、活性炭等炭质材料改性方法主要有壳聚糖、葡萄糖等有机材料接枝聚合和酸碱改性等方法，前者易造成孔隙堵塞，降低其吸附性能，后者由于炭材料表面缺乏一定的官能团，对选择性吸附较弱。但是，通过对木质素基炭质材料进行功能改性如羧甲基改性，不仅绿色环保、成本低廉，且分子质量增加，羧基含量增加，从而提高对阳离子染料如亚甲基蓝和孔雀石绿的吸附性能。总而言之，以木质素为基料，经微炭化后进行羧甲基改性，不仅保留炭材料孔状结构，而且大大增加了炭质材料表面的官能团，有效地提高其吸附性能。此外，粉末炭在实际应用中存在回收、再生困难等问题，使得粉末炭在环境治理领域及其他方面的应用受到极大的限制。与传统的过滤分离法相比，磁分离作为一种简单高效的分离方法，可分离磁性或可磁化的吸附剂、载体等物质，不仅价格低廉而且操作简单。因此，近几年来磁性炭的制备方法及其应用成为国内外研究的热点。目前，磁性炭制备方法主要有一步法和两步法。两步法即先制备生物炭或者活性炭，再将磁性铁负载在炭上，这种方法制备的磁性炭普遍存在磁化强度小、磁性能差、孔隙堵塞、比表面积小等弊端。另外，一步法即在碱性条件下，以煤、污泥、木质素等为基料，添加Fe3+和Fe2+复配溶液，在高温条件下制得磁性炭，与两步法相比，一步法制备的磁性炭比表面积相对较高且磁性能稳定，但该方法需外加碱性溶液，成本高且工艺复杂。因此，专利技术一种既可以实现生物炭赋磁又可以克服目前工艺存在的弊端的磁性生物炭的制备方法越来越受到科研工作者的重视。总而言之，专利技术一种成本低、比表面积高、磁性能强、易于分离回收、选择性吸附能力强且能够高效去除水中污染物的羧甲基磁性木质素基生物炭具有十分重要的经济效益和环境意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有选择性吸附特性、对目标污染物尤其是阳离子型污染物吸附能力强、易于分离回收且成本低的羧甲基磁性木质素基生物炭的制备方法，以解决目前活性炭在溶液中分离难、制备和回收步骤繁琐、选择性吸附差、成本高等问题，实现对生物质资源的循环利用，同时大大促进环境友好型材料的发展。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种羧甲基磁性木质素基生物炭的制备方法，包括如下步骤：将碱木素与赋磁剂按一定比例混合后加入一定量的表面活性剂和水，在室温下将其搅拌均匀后，通过冷冻干燥得到混合物，研磨至粒径d≥100目后，在流量为80-100mL·min-1氮气氛围下，升温速率为5℃·min-1下，升温至350℃-450℃微炭化2h后冷却至室温后，得到磁性木质素基生物炭，将制得的磁性生物炭在介质溶液中控制体系温度60℃下机械搅拌30-50min，待其均匀混合后，加入一定量的碱性溶液，并在50℃-70℃温度下碱化反应2-4h，随后加入一氯乙酸和介质溶液组成的混合溶液，混合溶液中一氯乙酸的浓度为15wt%~40wt%，在70℃-90℃温度下醚化反应1-5h，反应结束后用磁分离法收集产品，将收集的固体经无水乙醇和去离子水反复离心洗涤至pH=6.5-7.5，得到羧甲基磁性木质素基生物炭。所述的羧甲基磁性木质素基生物炭的原料按重量份数计包括：碱木素87-104份、赋磁剂87-104份、表面活性剂1-2份、一氯乙酸35-62份、碱性溶液88-103份、介质溶液624-701份。所述的碱性溶液为NaOH溶液、KOH溶液、NH3·H2O溶液中的一种或两种组合以上的混合物，碱性溶液的浓度为35.0wt%~45.0wt%。所述的碱木素来源于制浆黑液，选自桦木、蔗渣、皇竹草、稻草、柞木、芨芨草、竹子、麦草、曲柳、芦苇、杨木、马尾松、桉木中的一种或几种通过碱法或硫酸盐法制备的制浆黑液，制浆黑液的固含量为20.0wt%~75.0wt%，其中木质素含量为9.5~35.0wt%，密度为1.02~1.38g/mL，分离提纯后得到所需的碱木素。所述的赋磁剂为FeCl3·6H2O、Fe（NO3）3·9H2O、Fe2（SO4）3·9H2O中的一种或两种以上组合的混合物。所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠、月桂醇硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或两种以上组合的混合物。所述的介质溶液为异丙醇、乙醇和水中的一种或两种以上组合的混合物。制备的羧甲基磁性木质素基生物炭中羧甲基含量为0.3mmol·g-1-1.2mmol·g-1，对亚甲基蓝的吸附值为294.9mg·g-1-432.0mg·g-1，且比表面积可达302.0m2g-1，比饱和磁化强度（Ms）高达11.7emu·g-1。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：（1）本专利技术以碱木素作为基料，作为一种来源丰富、价格低廉的可再生资源，碱木素的利用响应了对循环经济和可持续发展的号召。而且该原料本身具有的碱性特性，为生物炭赋磁提供了有利的条件，无需外加碱性溶液来满足制备条件，大大地降低了生产成本。（2）本专利技术Fe3+溶液不仅作为生物炭的赋磁剂，而且兼具催化作用和一定的调孔作用，能促进生物炭中孔、大孔的发育，提高其对污染物的吸附能力。（3）本专利技术烘干均采用冷冻干燥，冷冻干燥使碱木素和Fe3+溶液混合物在干燥后处于疏松膨胀状态，可缓解在赋磁过程中因团聚、结块等造成生物炭孔隙堵塞等问题，从而提高其吸附性能。（4）本专利技术中羧甲基基团的引入，增强了生物炭的选择性吸附性能，大大提高了对阳离子型污染物的吸附容量。附图说明图1为实施例1制备的羧甲基磁性木质素基生物炭的XRD衍射图谱；图2为实施例1制备的磁性木质素基生物炭（MB）和实施例1制备的羧甲基磁性木质素基生物炭（CMB）的红外光谱图；图3为实施例1制备的羧甲基磁性木质素基生物炭的VSM磁滞回归线；图4为实施例1制备的羧甲基磁性木质素基生物炭氮气吸脱附曲线及孔径分布图。具体实施方式本专利技术制备工艺如下：将碱木素与赋磁剂按一定比例混合后加入一定量的表面活性剂和水，在室温下将其搅拌均匀后，通过冷冻干燥得到混合物，研磨至粒径d≥100目后，在流量为80-100mL·min-1氮气氛围下，升温速率为5℃·min-1下，升温至350℃-450℃微炭化2h后冷却至室温后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种羧甲基磁性木质素基生物炭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n将碱木素与赋磁剂按一定比例混合后加入一定量的表面活性剂和水，在室温下将其搅拌均匀后，通过冷冻干燥得到混合物，研磨至粒径d≥100目后，在流量为80-100mL·min

【技术特征摘要】
1.一种羧甲基磁性木质素基生物炭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将碱木素与赋磁剂按一定比例混合后加入一定量的表面活性剂和水，在室温下将其搅拌均匀后，通过冷冻干燥得到混合物，研磨至粒径d≥100目后，在流量为80-100mL·min-1氮气氛围下，升温速率为5℃·min-1下，升温至350℃-450℃微炭化2h后冷却至室温后，得到磁性生物炭，将制得的磁性生物炭在介质溶液中控制体系温度60℃下机械搅拌30-50min，待其均匀混合后，加入一定量的碱性溶液，并在50℃-70℃温度下碱化反应2-4h，随后加入一氯乙酸和介质溶液组成的混合溶液，混合溶液中一氯乙酸的浓度为15wt%~40wt%，在70℃-90℃温度下醚化反应1-5h，反应结束后用磁分离法收集产品，将收集的固体经无水乙醇和去离子水反复离心洗涤至pH=6.5-7.5，得到羧甲基磁性木质素基生物炭。


2.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于：所述的羧甲基磁性木质素基生物炭的原料按重量份数计包括：碱木素87-104份、赋磁剂87-104份、表面活性剂1-2份、一氯乙酸35-62份、碱性溶液88-103份、介质溶液624-701份。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的碱性溶液为NaOH溶液、KOH溶液、NH3·H2O溶液中的一种或两种组合以上的混合物，碱性溶液的浓度为35.0wt%~45.0wt%。


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【专利技术属性】
技术研发人员：刘明华，李云，刘以凡，黄雄睿，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35