一种氮掺杂多孔活性炭材料、制备方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种氮掺杂多孔活性炭材料的制备方法，包括：将模板剂、混合碳源和催化剂溶解于溶剂中，经过炭化、去模板、清洗、干燥、活化、洗涤、干燥后制备得到氮掺杂多孔活性炭材料；其中，模板剂、混合碳源和催化剂的质量比为(9～10)：(11～12)：(14～15)。相比于现有技术，本发明专利技术提供的制备方法，采用模板法通过炭化、去模板、活化工序得到的氮掺杂多孔活性炭材料，不仅材料孔径灵活可控，孔径分布均匀，且具有较高的比表面，含氮量高，可达15～20％，极适用于厨房油烟中挥发性有机物的净化。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂多孔活性炭材料、制备方法及应用
本专利技术涉及吸附材料制备及环境净化领域，具体涉及一种氮掺杂多孔活性炭材料、制备方法及应用。
技术介绍
随着我国经济的快速发展和人们生活水平的日益提高，餐饮行业得到迅猛发展。根据北京市统计年鉴，限额以上的住宿餐饮业的收入从08年的612.5亿元飙升到2012年的925.8亿元，增加幅度达到51％；限额以上企业数量由800家增加到约1600家，涨幅达到100％，逐年呈现增长。餐饮行业的快速发展，大大增加了厨房烹饪过程中产生油烟的排放。而厨房烹饪油烟中含有大量的有毒有害物质，如颗粒物(PM2.5，PM10)，挥发性有机化合物(VOCs)和多环芳烃(PAHs)等等。如果此些有毒有害物质不经处理被随意排放到空气中，势必导致针对餐饮排放的投诉逐渐增多，且加重环境的负担。其中，挥发性有机物(VOCs)不仅具有最高的排放浓度，同时其气味严重影响居民的正常生活，并且没有经过净化的VOCs与臭氧反应生成二次有机气溶胶，进而转化成PM2.5.导致雾霾的生成。同时，长期暴露于油烟中会增加人们患肺癌、皮肤癌的风险。针对厨房油烟的净化技术研究，主要集中在颗粒物的净化技术和收集排放的设置。中国专利申请(CN201810876511.8)采用静电技术对颗粒物进行处理，减少油烟的排放。中国专利(CN201820933880.1)采用加装旋转网盘的方式，通过旋转分离来净化油烟颗粒物。但是这些技术都无法对挥发性有机物起到有效的处理。这主要是因为厨房油烟的挥发性有机物具有如下特性：组成复杂，包含烷烃、烯烃、醛酮等多种组分；风量大，浓度低；影响因素多，包含烹饪方式，食材，菜系等，进而导致了针对厨房油烟中挥发性有机物的净化成为一个难点。针对此，中国专利申请(CN109028207A)采用静电与光催化协同技术对油烟中的挥发性有机物进行净化，但该方法在高风速下，停留时间短，反应不完全导致净化效率低，有二次污染的风险。中国专利申请(CN109045740A)采用活性炭过滤床进行挥发性有机物的净化，但活性炭自身对于醛酮吸附容量低，容易饱和；同时厨房油烟中醛酮类占比达到50-80％之间，导致常规的活性炭使用周期大幅缩短，快速吸附饱和。为此，中国专利申请(CN102951636)提供一种氮掺杂壳聚糖基活性炭制备方法，采用壳聚糖为原料通过溶解及冷冻干燥然后经高温碳化制备得到氮掺杂壳聚糖基活性炭。专利技术专利申请(CN104495792A)采用木质生物质液化产物为原料将其与介孔二氧化硅、水、硫酸混合经浸渍、预碳化、碳化、烧结后制备氮掺杂材料。采用氮掺杂活性炭材料相比于纯的活性炭，虽在净化效率有所提高，但上述提供的方法原料来源少，价格昂贵，且制备得到的材料含氮量低，净化效率仍是不如意，也不适用于工业上的大批量生产。此外，专利技术专利申请(CN105390672A)以葡萄糖为碳源、尿素为氮源将其加入到一定质量比的氯化钠和硅酸钠水溶液中后经过真空冷冻干燥、碳化等步骤得到三维氮掺杂介孔碳超薄纳米片。中国专利申请(CN108262077A)以糖类为碳源，以吡啶，尿素，三聚氰胺作为氮源制备高强度整体式催化剂，混合物优选为吡啶、苯胺。这两种制备方法采用糖类作为碳源，虽价格低廉，但制备得到的含氮量在3.68～4.58％之间，含氮量低，且材料孔径不可控，制备过程繁杂，对于挥发性有机物的净化效果不明显。有鉴于此，确有必要提供一种解决上述问题的技术方案。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于：提供一种氮掺杂多孔活性炭材料的制备方法，解决了目前氮掺杂多孔活性炭材料制备过程繁琐、材料孔径不可控、含氮量低的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种氮掺杂多孔活性炭材料的制备方法，包括：将模板剂、混合碳源和催化剂溶解于溶剂中，经过炭化、去模板、清洗、干燥、活化、洗涤、干燥后制备得到氮掺杂多孔活性炭材料；其中，模板剂、混合碳源和催化剂的质量比为(9～10)：(11～12)：(14～15)。采用模板法制备氮掺杂活性炭材料，相比于常规的预氧化-后处理和原位掺杂法，本制备方法制备过程简单，材料孔径控制容易，制备所得的氮掺杂多孔活性炭材料含氮量高达15～20％，是上述两种方法的3～5倍，高氮量为油烟中醛类提供了更多的吸附点位，大大提高了对于醛类的吸附容量，更加适合厨房油烟中挥发性有机物的净化。优选的，该制备方法包括以下步骤：S1，将模板剂、混合碳源和催化剂溶解于溶剂中，干燥，然后将温度升高到600～800℃下进行炭化，得到炭化后样品；S2，用去模板剂对步骤S1中得到的炭化后样品进行去模板，然后清洗、干燥，得到未活化样品；S3，用活性物质在惰性气体下以3-5℃/min的速率升高到600-800℃活化步骤S2中得到的未活化样品；S4，完成活化后，洗涤活化后的样品，干燥，得到氮掺杂多孔活性炭材料。专利技术人发现，采用中低的活化温度更有利于激活氢原子，其更易与醛类的C＝O官能团结合形成氢键；而在活性炭中掺杂氮原子，氮含量越高，电负性越强，被活化的氢原子数也会随之增加，对于醛类物质的吸附量也会越大，而厨房油烟中醛酮类占比达到50-80％，也因此本专利技术的材料对于厨房油烟中挥发性有机物的净化效果更加优异。优选的，所述模板剂为IBN-9型二氧化硅；所述混合碳源包括对苯二胺和无氮糖醇，所述对苯二胺和所述无氮糖醇的质量比为(4～5)：(5～4)；所述催化剂为过二硫酸铵；所述溶剂为甲苯和/或四氯化碳。采用对苯二胺作为碳源之一，其含有苯环和氨基，苯环受氨基的影响使得苯环上氨基的邻对位上的氢的活泼型增强，更有利于后续活化氢原子，增加氢原子与C＝O的反应速率；此外，两个碳源的混合使用，也有助于留住其中的氮，增加氮掺杂多孔活性炭材料的含氮量。优选的，步骤S1中，将模板剂、混合碳源和催化剂在超声条件下溶解于溶剂中，溶解时间为10～30min，然后在80～100℃下进行干燥，接着在惰性气体下以3-5℃/min的速率升高到600-800℃，保持3～5h，完成炭化。优选的，步骤S2中，所述去模板剂的溶液浓度为10～15％，清洗后在100～105℃下干燥，得到未活化样品。该去模板剂可为氢氟酸或氢氧化钠，采用去模板剂清洗后，再使用去离子水和乙醇作为清洗剂进行二次清洗，而后再将其置于真空干燥箱中在100～105℃下干燥。优选的，步骤S3中，所述活性物质为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙中的至少一种，所述活性物质与所述未活化样品的质量比为(2～3)：(1～2)。优选的，活性物质为氢氧化钠。优选的，步骤S3中，在600-800℃下活化时间为1～3h。优选的，步骤S4中，将活化后的样品洗涤至中性，然后在110～120℃下进行干燥，得到氮掺杂多孔活性炭材料。可使用盐酸对活化后的样品进行洗涤，之后再使用去离子水进行二次洗涤，直至呈中性，然后将样品放置在真空干燥箱中在110～120℃下进行干燥，进而得到氮掺杂多孔活性炭材料。本专利技术的目的之二在于，提供一种氮掺杂多孔活性炭材料，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂多孔活性炭材料的制备方法，其特征在于，包括：将模板剂、混合碳源和催化剂溶解于溶剂中，经过炭化、去模板、清洗、干燥、活化、洗涤、干燥后制备得到氮掺杂多孔活性炭材料；其中，模板剂、混合碳源和催化剂的质量比为(9～10)：(11～12)：(14～15)。/n

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂多孔活性炭材料的制备方法，其特征在于，包括：将模板剂、混合碳源和催化剂溶解于溶剂中，经过炭化、去模板、清洗、干燥、活化、洗涤、干燥后制备得到氮掺杂多孔活性炭材料；其中，模板剂、混合碳源和催化剂的质量比为(9～10)：(11～12)：(14～15)。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将模板剂、混合碳源和催化剂溶解于溶剂中，干燥，然后将温度升高到600～800℃下进行炭化，得到炭化后样品；
S2，用去模板剂对步骤S1中得到的炭化后样品进行去模板，然后清洗、干燥，得到未活化样品；
S3，用活性物质在惰性气体下以3-5℃/min的速率升高到600-800℃活化步骤S2中得到的未活化样品；
S4，完成活化后，洗涤活化后的样品，干燥，得到氮掺杂多孔活性炭材料。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述模板剂为IBN-9型二氧化硅；所述混合碳源包括对苯二胺和无氮糖醇，所述对苯二胺和所述无氮糖醇的质量比为(4～5)：(5～4)；所述催化剂为过二硫酸铵；所述溶剂为甲苯和/或四氯化碳。


4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，将模板剂、混合碳源和催化剂在超声条件下溶解于溶剂中，溶解时间为10～30min，然...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩煦，王世杰，张丁超，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12