一种氮改性介孔碳材料及其制备方法和作为电吸附脱盐电极材料的应用技术

本发明专利技术公开了一种氮改性介孔碳材料及其制备方法和作为电吸附脱盐电极材料的应用。将废旧木材经过破碎和除杂预处理后，经过水解提取得到木质素，再以木质素作为碳源，以聚乙烯醇为模板剂，进行炭化处理，得到介孔碳材料，将介孔碳材料进行氮掺杂改性，即得比表面积大、介孔结构丰富、热稳定性好、机械强度高以及富含氮杂原子的氮改性介孔碳材料，将其作为电吸附脱盐电极材料应用，氮改性介孔碳材料对废水中的脱盐效率高，可以实现高盐废水深度净化与回用，且氮改性介孔碳材料制备的原料成本低，且可以多次循环使用，有利于降低使用成本。

【技术实现步骤摘要】
一种氮改性介孔碳材料及其制备方法和作为电吸附脱盐电极材料的应用
本专利技术涉及一种氮改性介孔碳材料及其制备和应用，特别涉及一种利用废旧木材来制备氮改性介孔碳材料的方法，还涉及该氮改性介孔碳材料在废水电吸附脱盐方面的应用，属于电吸附脱盐

技术介绍
水资源危机是本世纪全球面临的最大资源危机之一，随着水资源的日益匮乏，废水回用成为迫切的的需求，但废水中的盐类物质制约着其回用。高盐废水很大一部分来源于生产过程中副产物的富积，如化工生产中化学反应生成的大量副产物盐分，另有一部分来源于为满足工业用水要求而人为富积浓盐水，如浓度不等的膜浓缩浓水、焦化废水、制药废水等。高盐废水中含有高浓度盐分不仅无法采用生化等处理措施处理，还抑制生化系统等其它工艺的处理效能，也容易在管道内结垢并腐蚀设备。因为，有效脱盐高盐废水的盐是水综合处理和回用的迫切需求。现在废水脱盐领域运用较多的方法有RO反渗透法、离子交换法、电渗析法和电吸附法。RO反渗透法指在半透膜的原水一侧施加高于溶液渗透压的外界压力，并利用反渗透膜的选择透过性，当原水透过半透膜时，从含有各种无机物、有机物和微生物的水体中提取较纯净的水。反渗透技术需配备高压设备，设备能耗高，回水利用率低，需要对膜进行定期清理，清洗时需要投加大量的酸、碱，化学清洗药剂，使其应用受到限制。离子交换除盐法是一种特殊的固体吸附过程。该方法利用阴、阳离子交换树脂的可交换离子与电解质溶液中的阴、阳离子进行交换，从而达到去除盐分的目的。作为一种常规除盐技术，离子交换法也有很多缺点如设备繁多，投资过大，设备维护成本高等，且离子交换法由于树脂再生产生大量酸碱废液二次污染，常用于精脱盐场合。电渗析技术是利用离子交换膜对阴、阳离子的选择透过性，在外加直流电场作用下，使水中的阴、阳离子定向迁移透过选择性离子交换膜，从而使电介质离子自溶液中分离出来。电渗析技术成本高，且对进水水质要求高。电吸附法除盐技术在处理效率、能耗、适应性及运行维护等方面有着独特的优势，是一种新型的水处理技术，有广泛的应用和发展前景。电吸附除盐技术是通过施加外加电压形成静电场，使水中溶解的盐类及其他带电物质在电极表面富集浓缩而实现水淡化的一项技术。该方法具有能耗低、脱盐率高、绿色环保等优点。而对于电吸附除盐技术，获得性能好的电极材料对于提高脱盐能力至关重要。目前，应用较多的电极材料有活性炭，因其含有大量微孔，易引起双电层“重叠效应”和增加离子扩散阻力，导致电吸附容量不髙，吸附速率慢，其应用受限制。而理想的电极材料应具有如下几个特点：比表面积大，导电性能好，化学或电化学稳定性好，不容易结垢，不容易被生物或有机物污染。表1是对已有碳材料用作为电极的优缺点比较。表1几种碳材料做电极的性能比较介孔碳材料是一种新型碳材料，其具有比表面积大、介孔结构丰富、热稳定性好、导热导电性强、密度低、相对惰性的化学表面和稳定的碳骨架结构，但是现有技术中对其应用的研究还比较少。
技术实现思路
针对现有技术中电吸附脱盐电极存在的缺陷，本专利技术技术方案第一个目的是在于提供了一种比表面积大、介孔结构丰富、热稳定性好、机械强度高以及富含氮杂原子的氮改性介孔碳材料。本专利技术的第二个目的是在于提供一种基于废旧木材制备氮改性介孔碳材料的方法，该方法充分利用廉价的废旧木材作为原料，通过简单的工艺步骤获得有用价值较高的氮改性介孔碳材料，实现了废弃资源的充分利用，且制备方法操作简单、条件易控，有利于大规模生产。本专利技术的第三个目的是在于提供一种氮改性介孔碳材料的应用，其作为电吸附脱盐电极材料应用，氮改性介孔碳材料对废水中的脱盐效率高，可以实现高盐废水深度净化与回用，且可以多次循环使用，有利于降低使用成本。为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种基于废旧木材制备氮改性介孔碳材料的方法，其包括以下步骤：1)将废旧木材经过破碎和除杂预处理，得到清洁木材；2)将所得清洁木材依次经过酸催化高温液态水解和酶催化水解，提取得到木质素；3)将所得木质素作为碳源，以聚乙烯醇为模板剂，进行炭化处理，得到介孔碳材料；4)将所得介孔碳材料进行氮掺杂改性，即得。在现有技术中，一般都直接将木材原料进行炭化获得碳材料，但是碳材料颗粒的高压密实变得困难，强度不高，且在炭化过程中由于焦油和沥青会渗到碳材料颗粒的表而，使其相互融合在一起，且需要另外的活化步骤来提高碳材料的介孔含量。而在本专利技术技术方案通过利用特殊的水解方法从废旧木材中提取木质素，能够通过脱除木质素以外的其他有机物，可有效避免出现上述情况，且该水解方法可以高效剥离木质素，获得结构疏松、分子量较均一的木质素，该木质素通过以聚乙烯醇为模板剂，可以大大提高介孔含量，并提高介孔碳材料的有序性，制得的介孔碳材料具有较高比表面积，孔容大、孔径分布窄的优点，是较为理想的电极材料，介孔碳材料经过氮原子掺杂后，能够有效提高碳材料的电化学性能。作为一个优选的方案，所述酸催化高温液态水解的过程为：将清洁木材与水及酸催化剂在反应釜内，于180～220℃温度及4～5MPa压力条件下，反应15～30min。作为一个优选的方案，清洁木材与水的固液比1g:15～25mL。作为一个优选的方案，酸催化剂为清洁木材与水总质量的0.01～0.1％。较优选的酸催化剂为甲叉琥珀酸。作为一个优选的方案，所述酶催化水解的过程为：将经过酸催化高温液态水解所得木材残渣与缓冲溶液混合后，加入木聚糖酶和纤维素酶，在50～60℃温度下酶解2～4d，余下固体即为木质素。作为一个优选的方案，木材残渣与缓冲溶液的固液比为1g:15～25mL，木聚糖酶用量为10～20FPU/g，纤维素酶为20～30FPU/g。优选的缓冲溶液为醋酸-醋酸钠溶液，醋酸-醋酸钠溶液为本领域常见的缓冲溶液，主要维持体系的pH为弱酸性，如pH为5左右。本专利技术通过酸催化高温液态水解结合酶催化水解的方法可以使得木材原有的有序纤维结构遭到充分破坏，纤维素、半纤维素基本被分离，致使木质素被剥离出，木质素结构被破坏，原料失去支撑的骨架，变得非常疏松，大分子结构被大大的降低，分子量变的较均一，采用这中木质素进行高温碳化可以获得比表面积大、介孔结构比例高的介孔碳材料。作为一个优选的方案，所述炭化处理的过程为：将木质素和聚乙烯醇混合后，置于保护气氛中，先在220～280℃温度下保温1～3h，再以5～15℃/min的升温速率升温至850～950℃保温1～3h。作为一个优选的方案，木质素和聚乙烯醇的质量比为1:3～5。通过使用适量的聚乙烯醇作为模板剂，可以大大提高介孔含量，并提高介孔碳材料的有序性。作为一个优选的方案，所述氮掺杂过程为：将介孔碳材料加入水中，再加入浓硫酸和碱性紫，先在90～110℃温度下反应5～8h，再在140～170℃条件下反应反应5～8h，反应混合物经过离心分离去除悬浮物后，进行干燥，干燥所得粉体置于保护气氛下，在550～650℃温度下煅烧4～6h，得到氮改性介孔碳材料。通过该氮掺杂方法可以将部分氮本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于废旧木材制备氮改性介孔碳材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：/n1)将废旧木材经过破碎和除杂预处理，得到清洁木材；/n2)将所得清洁木材依次经过酸催化高温液态水解和酶催化水解，提取得到木质素；/n3)将所得木质素作为碳源，以聚乙烯醇为模板剂，进行炭化处理，得到介孔碳材料；/n4)将所得介孔碳材料进行氮掺杂改性，即得。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于废旧木材制备氮改性介孔碳材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将废旧木材经过破碎和除杂预处理，得到清洁木材；
2)将所得清洁木材依次经过酸催化高温液态水解和酶催化水解，提取得到木质素；
3)将所得木质素作为碳源，以聚乙烯醇为模板剂，进行炭化处理，得到介孔碳材料；
4)将所得介孔碳材料进行氮掺杂改性，即得。


2.根据权利要求1所述的一种基于废旧木材制备氮改性介孔碳材料的方法，其特征在于：所述酸催化高温液态水解的过程为：将清洁木材与水及酸催化剂在反应釜内，于180～220℃温度及4～5MPa压力条件下，反应15～30min。


3.根据权利要求2所述的一种基于废旧木材制备氮改性介孔碳材料的方法，其特征在于：清洁木材与水的固液比1g:15～25mL；酸催化剂为清洁木材与水总质量的0.01～0.1％；所述酸催化剂为甲叉琥珀酸。


4.根据权利要求1所述的一种基于废旧木材制备氮改性介孔碳材料的方法，其特征在于：所述酶催化水解的过程为：将经过酸催化高温液态水解所得木材残渣与缓冲溶液混合后，加入木聚糖酶和纤维素酶，在50～60℃温度下酶解2～4d，余下固体即为木质素。


5.根据权利要求4所述的一种基于废旧木材制备氮改性介孔碳材料的方法，其特征在于：木材残渣与缓冲溶液的固液比为1g:15～25...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈健，蒋哲雯，周琼芝，陈琤，段锋，李玉平，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43