一种高比表面多维生物碳吸附基质及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高比表面多维生物碳吸附基质及其制备方法，属于水处理吸附材料制备技术领域。本发明专利技术为解决现有生物质吸附剂吸附量低、制备成本高、产出比低及回收率低的问题，提供一种在长链状生物质表面嫁接纳米氧化石墨烯结构，并通过有机母液改性获得丰富官能团结构的高比表面积多维生物碳吸附基质及其制备方法，该产品及方法具有制备成本低廉、可多次循环利用等优点，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种高比表面多维生物碳吸附基质及其制备方法
本专利技术属于水处理吸附材料制备
，具体涉及一种高比表面多维生物碳吸附基质及其制备方法。
技术介绍
吸附处理技术被广泛应用于各种水处理工艺之中，吸附技术具有工艺简单、操作便捷、处理过程中无需增加化学药剂、不增加污水的电导率等显著优点。吸附处理技术的关键在于吸附剂。传统的吸附剂包括各种活性炭、沸石、膨润土等多孔性材料，这些多孔性材料表面能够给污染物提供吸附位点，将污染物附着于材料表面，降低废水中污染物含量，传统吸附剂具有成本低廉、材料丰富等显著优点，但存在吸附量不高的问题。近年来，研究者开发了各种微米、纳米吸附剂如各种类型的有机聚合物、纳米管、石墨烯、纳米零价铁、纳米纤维等吸附剂由于这些纳米材料比表面积相对于传统的吸附剂更大，因此显著的提高了单位吸附量。然而相对更高的比表面积只是提高吸附效果的一个方面，现有研究表明，更高的比表面积和丰富的材料表面官能团均对吸附材料的吸附效果有重大的影响。但是，各种新型的纳米吸附剂在大量规模化使用过程仍然面临制备成本高、投入产出比低、制备过程中二次污染的、回收困难等技术难题。
技术实现思路
基于上述问题，本申请通过使用廉价的生物质材料嫁接纳米结构提高吸附基质的比表面积，以及通过有机母液改性提高吸附基质的配位官能团等方法，制备了一种高比表面积且富含官能团的多维生物碳吸附基质，具有制备成本低廉、节能环保，产物具有较好吸附效果、可多次循环回收利用等特点。本专利技术提出的技术方案为：一种高比表面多维生物碳吸附基质的制备方法，包括以下步骤：(1)将长链状生物质通过预处理后得到纤维网状生物质，使用基团母液浸泡所述纤维网状生物质，滤干水分后，中低温炭化得到长链状多基团生物碳；(2)将有机硅水溶液与氧化石墨烯分散液按照一定比例混合，并超声分散得到硅氧化石墨烯分散液；(3)稀释氨水配置得到氨化母液；(4)将长链状多基团生物碳平铺，将氨化母液喷淋在长链状多基团生物碳表面，至生物碳表面均匀浸湿氨化母液，使长链状多基团生物碳表面氨化；(5)喷淋硅氧化石墨烯分散液于步骤(4)中氨化的长链状多基团生物碳材料表面，喷淋负载结束后，使用紫外光辐照催化沉积固化，洗涤烘干后得到高比表面多维生物碳吸附基质。优选地，所述长链状生物质包括芦苇、秸秆、甘蔗渣、菌丝中的一种或多种。优选地，所述的预处理包括破碎、碱洗、酸化、烘干四个步骤。优选地，所述的基团母液由EDTA、SDD、柠檬酸钠等一种或多种溶解于水配置而成，浓度为2-10g/L。优选地，使用基团母液浸泡所述纤维网状生物质的时间为12-24h。优选地，所述中低温炭化温度为300-500℃，时长为2-5h。优选地，所述的有机硅溶液为使用APTES、TEOS的其中一种溶解于乙醇水溶液配置，配置后溶质质量含量不高于5％。优选地，所述的氧化石墨烯分散液为酸性的氧化石墨烯双氧水混合溶液，其中氧化石墨烯含量为50-1000mg/L，双氧水浓度为1-10ml/L，溶液pH为4-6，超声分散5-10min。优选地，其中步骤(2)中有机硅水溶液与氧化石墨烯分散液按照1:(0.2-5)的质量比例混合。优选地，所述的氨化母液中溶质质量含量为1-10％。优选地，所述紫外光辐照催化沉积固化时间为30-60min。一种根据上述制备方法制备得到的高比表面多维生物碳吸附基质，其比表面积为200-580㎡/g。本专利技术提供的高比表面多维生物碳吸附基质及其制备方法，具有以下优点：(1)生物碳基质表面基团丰富：传统的生物质吸附材料多通过一次改性或以原有的表面基团，吸附配位体数量较少。本专利技术在制备方法的全过程中均考虑了基团配体的保留和扩增，通过基团母液表面处理定向的扩增了生物质表面的官能团，如EDTA能够提供-NH2,SDD能提供-SH，柠檬酸能提供-COOH等基团配位体，同时通过中低温炭化最大限度的保留了生物质丰富的有机基团，通过氨化反应和氧化石墨烯的嫁接再次丰富了大量的含氧基团和氨基，使得生物碳基质表面基团极大的扩增，从而大大提升了生物碳基质的水处理吸附效果。(2)生物碳基质结构稳定性好：传统的纳米吸附材料由于其颗粒小回收难。本工艺结合常规生物质宏观结构作为基底，负载具有纳米结构的高比表面材料的氧化石墨烯，并利用氨化母液迅速催化有机硅转化为无机硅，从而通过氨化反应在生物碳表面迅速固化转变成二氧化硅结构形成氧化石墨烯的支架，起到稳定固定氧化石墨烯纳米片的作用，从而得到相对稳定的生物碳/氧化石墨烯吸附结构。低成本的提升了生物碳基质的吸附量，降低了纳米氧化石墨烯的损失，增强了氧化石墨烯的应用性。(3)生物碳基质循环使用性好：本专利技术采用的是长链状生物质，如秸秆、甘蔗渣等类型生物质其本身含有大量的长链木质素纤维，是廉价易得结构优良的生物碳结构，通过本工艺的中低温炭化使得生物质结构塌陷形成了大量的中直径孔隙，有利于水处理中吸附过程，此外，在相互缠绕的生物碳基质表面嫁接了氧化石墨烯，最终构建了网状结构的生物碳氧化石墨烯宏观的网孔结构，具有较好的水透过性和柔韧性特点，拓展了其循环使用性能。(4)提高生物碳基质与纳米石墨烯的结合性：通过预处理有效去除了生物碳表面含有的灰分，提高总体的碳含量，其中碱洗的目的是去除生物碳表面的生物油，酸化是对生物碳表面酸化处理为后续碱性环境下的基团嫁接提供结合位点，提升生物碳基质与纳米氧化石墨烯的结合性能。(5)中低温炭化提升材料吸附效果：采用中低温炭化把生物质转变成生物碳，从而提升了生物碳基质的耐酸性能，同时中低温能够最大限度的保留生物质表面稳定嫁接的基团，且有利于材料结构塌陷得到大量的中孔结构，而表面基团和材料的中孔结构有利于吸附效果的提升，此外，采用同时中低温炭化的能耗降低，更加节能环保。(6)节约成本：通过喷淋的方式将氨化母液均匀地附着于生物碳表面，再通过喷淋雾化的方法将硅氧化石墨烯分散液均匀的负载于生物碳材料表面，与氨化的表面发生化学反应，使之能够紧贴材料表面催化有机硅固化反应，迅速生成碳二氧化硅支撑结构，增强了材料结构的稳定性，此外，未与材料接触的喷淋母液循环利用，降低了氨化母液和硅氧化石墨烯的消耗量，节省了成本，降低了制备过程造成的二次污染。基于以上几个方面的有益效果，使得本专利技术提供的高比表面多维生物碳吸附基质具有较强的吸附效果、快速的吸附速率和可循环回收利用性。该工艺制备成本低廉、制备方法简单，同时提供了一种温和条件下生物碳与氧化石墨烯嫁接的新方法，有效克服了氧化石墨烯和生物碳在吸附使用中的瓶颈问题，拓展了其在水处理中的应用。附图说明图1为本专利技术高比表面多维生物碳吸附基质的制备工艺流程示意图。图2为本专利技术实施例1制备的高比表面多维生物碳吸附基质的SEM扫描电子显微镜图。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面将结合实施例对本专利技术的优选实施方案作进一步详细的描述，但需要说明的是本专利技术的实施方式并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高比表面多维生物碳吸附基质的制备方法，包括以下步骤：/n(1)将长链状生物质通过预处理后得到纤维网状生物质，使用基团母液浸泡所述纤维网状生物质，滤干水分后，中低温炭化得到长链状多基团生物碳；/n(2)将有机硅水溶液与氧化石墨烯分散液按照一定比例混合，并超声分散得到硅氧化石墨烯分散液；/n(3)稀释氨水配置得到氨化母液；/n(4)将长链状多基团生物碳平铺，将氨化母液喷淋在长链状多基团生物碳表面，至生物碳表面均匀浸湿氨化母液，使长链状多基团生物碳表面氨化；/n(5)喷淋硅氧化石墨烯分散液于步骤(4)中氨化的长链状多基团生物碳材料表面，喷淋负载结束后，使用紫外光辐照催化沉积固化，洗涤烘干后得到高比表面多维生物碳吸附基质。/n

【技术特征摘要】
1.一种高比表面多维生物碳吸附基质的制备方法，包括以下步骤：
(1)将长链状生物质通过预处理后得到纤维网状生物质，使用基团母液浸泡所述纤维网状生物质，滤干水分后，中低温炭化得到长链状多基团生物碳；
(2)将有机硅水溶液与氧化石墨烯分散液按照一定比例混合，并超声分散得到硅氧化石墨烯分散液；
(3)稀释氨水配置得到氨化母液；
(4)将长链状多基团生物碳平铺，将氨化母液喷淋在长链状多基团生物碳表面，至生物碳表面均匀浸湿氨化母液，使长链状多基团生物碳表面氨化；
(5)喷淋硅氧化石墨烯分散液于步骤(4)中氨化的长链状多基团生物碳材料表面，喷淋负载结束后，使用紫外光辐照催化沉积固化，洗涤烘干后得到高比表面多维生物碳吸附基质。


2.一种根据权利要求1所述的高比表面多维生物碳吸附基质的制备方法，其特征在于，所述长链状生物质包括芦苇、秸秆、甘蔗渣、菌丝中的一种或多种。


3.一种根据权利要求1所述的高比表面多维生物碳吸附基质的制备方法，其特征在于，所述的基团母液由EDTA、SDD、柠檬酸钠等一种或多种溶解于水配置而成，浓度为2-10g/L。


4.一种根据权利要求1所述的高比表面多维生物碳吸附基质的制备方法，其特征在于，所述中低温炭化温度为300-...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈润华，宋雨夏，向思源，苏荣奎，黄顺红，张旖恒，王志浩，吴灵蕴，王娇，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43