一种生物质基复合气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种生物质基复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：S1：将生物质纤维废弃物粉末与功能性材料以重量比1：0.1～12混合均匀，然后向上述混合物中加水，形成混悬液，使得所述生物质纤维废弃物在所述混悬液中的浓度为2～15mg/mL；S2：将S1获得的搅拌液进行均质，获得均质混合液；S3：将S2获得的均质混合液进行冷冻干燥，即得生物质基复合气凝胶。本发明专利技术以生物质基废料为原料，采用“全组分自组装法”，制备工艺十分简单，不引入污染严重的化学试剂，利于规模化生产，获得的复合气凝胶具有优异的力学性能，在气体存储、环保领域等方面具有极大的应用前景。具有极大的应用前景。具有极大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质基复合气凝胶及其制备方法


[0001]本专利技术涉及功能型纳米复合材料制备
，具体涉及一种生物质基复合气凝胶及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着全球工业的快速发展，重金属和有机染料污染正变得日益严重，其任意排放会对人类和自然生态系统的健康造成威胁。这些污染物高毒、无法生物降解且倾向于通过食物链在生物体内累积，引发了人们极大的恐慌。通常使用离子交换、化学沉淀、催化降解等技术、利用各种无机水处理材料，如活性矾土、MCM
‑
41、γ
‑
磷酸锆、钛酸盐等，来吸附重金属离子和有机染料。然而，由于以粉体形态存在以及较低的比表面积，上述无机吸附材料在进行污水处理时，常常表现为去除能力低、捕获动力学性能差、分离困难、易随水流失、难于循环回收，其实际应用受到严重的阻碍。因此，亟需一种可以克服以上缺点的新材料。
[0003]纤维素基复合气凝胶材料应运而生。因其绿色环保、资源丰富、可再生、易降解以及生物相容性好等多重优良特性，使其成为一类应用前景良好、极具开发价值的功能材料。然而，纤维素气凝胶制备通常采用自下而上的方法，首先，通过一些列的物理或化学手段剔除竹/木质原料中的半纤维素和木质素组分，获得单一的纳米级纤维素纤维或纳米晶；然后，通过不同的组装手段将纳米级纤维素组装成块体的纳米纤维素水凝胶或气凝胶。这种复杂的工艺往往会带来时间、能源和化学试剂的大量消耗，使得更高成本、效率更低、污染更严重。此外，现有技术中的纤维素基复合吸附剂由于力学性能的不足，在水处理实际应用中可能存在收缩/膨胀变形，甚至破碎，从而使得复合气凝胶回收困难。因此，迫切需要探索一种可以大规模生产并具有高机械强度的生物质基复合材料的制备方法。

技术实现思路

[0004]因此，为克服现有技术存在的问题，本专利技术提供了以下技术方案：
[0005]本专利技术提供了一种生物质基复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0006]S1：将生物质纤维废弃物粉末与功能性材料以重量比1：0.1～12混合均匀，然后向上述混合物中加水性溶剂，形成混悬液，使得所述生物质纤维废弃物在所述混悬液中的浓度为0.1～20mg/mL；
[0007]S2：将S1获得的搅拌液进行均质，获得均质混合液；
[0008]S3：将S2获得的均质混合液进行冷冻干燥，即得生物质基复合气凝胶；
[0009]进一步的，步骤S1所述的生物质纤维废弃物为植物质纤维废弃物；更进一步的，所述植物质纤维废弃物选自废纸、落叶、秸秆、甘蔗渣、杂草、废弃海藻中的任意一种或几种；更进一步的，所述落叶包括但不限于竹叶、银杏叶或柳叶的落叶；
[0010]进一步的，步骤S1所述的功能性材料包括但不限于镁铝层状双氢氧化物(即Mg
‑
Al
‑
LDH)、经过煅烧的镁铝层状双氢氧化物(即Mg
‑
Al
‑
CLDH)、金属有机框架化合物或共价有机骨架多孔晶体材料；
[0011]更进一步的，所述金属有机框架化合物包括但不限于ZIF
‑
67、Mg
‑
MOF
‑
74或HKUST
‑
1；
[0012]更进一步的，共价有机骨架多孔晶体材料包括但不限于COF
‑
5、CAU
‑
17或JUC
‑
5；
[0013]更进一步的，所述Mg
‑
Al
‑
LDH的制备方法包括：将AlCl3·
6H2O和MgCl2·
6H2O混合在去离子水中，形成摩尔比Mg：Al为3:1的溶液；其次，将所得的溶液加入到Na2CO3和NaOH质量比为2:1的碱性水溶液中，形成悬浮液，并通过NaOH调节溶液的pH值为10～11；随后，将获得的悬浮液转移到适当体积的聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，密封，然后在150～200℃下反应6～10小时；再次，用去离子水对反应体系进行三次离心洗涤，去除多余的杂质，50～70℃干燥10～16h，得到Mg
‑
Al
‑
LDH；优选的，在180℃下反应8h；优选的，在60℃下干燥12h；
[0014]更进一步的，所述Mg
‑
Al
‑
CLDH的制备方法包括：将市售Mg
‑
Al
‑
LDH或采用上述方法制备获得的Mg
‑
Al
‑
LDH置于350～600℃下高温煅烧3～6h，即可得到所述功能性材料Mg
‑
Al
‑
CLDH；优选的，所述煅烧温度为450℃；优选的，所述煅烧时间为4h；
[0015]进一步的，所述生物质纤维废弃物粉末与功能性材料重量比为1：2～10；进一步优选的，所述生物质纤维废弃物粉末与功能性材料重量比为1：9；
[0016]进一步的，步骤S1所述的生物质纤维废弃物粉末的粒径为30～200目；优选的，步骤S1所述的生物质纤维废弃物粉末的粒径为100目；
[0017]进一步的，步骤S1中所述水性溶剂为蒸馏水、去离子水或含醇水溶液；更进一步的，所述醇为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇中的任意一种或几种；
[0018]进一步的，步骤S1中生物质纤维废弃物在所述混悬液中的浓度为2～10mg/mL；
[0019]进一步的，步骤S2中所述均质使用的设备任选磨浆机、胶体磨、球磨机中的任意一种或几种；
[0020]更进一步的，步骤S2中所述均质使用设备的转速为200～800r/min；优选400r/min；
[0021]更进一步的，步骤S2中所述均质时间为3～8h；优选4h；
[0022]更进一步的，步骤S2中所述次数为1～6次；优选3次；
[0023]进一步的，步骤S3所述冷冻方式为液氮冷冻或低温冷冻机冷冻；
[0024]更进一步的，所述低温冷冻机冷冻的温度为
‑
10～
‑
50℃、冷冻时间为5～48h；优选温度为
‑
40℃、冷冻时间24h；
[0025]进一步的，所述步骤S3的干燥方法任选临界点干燥、冷冻干燥、超临界干燥中的任意一种或几种；
[0026]进一步的，所述步骤S3的干燥时间为6～60h；优选干燥时间为48h。
[0027]有益效果
[0028]本专利技术提供了的一种具优异力学性能的生物质基复合气凝胶的规模化制备方法，其具有以下的优势：
[0029](1)本专利技术采用的原料为生物质基废料，如废纸(板)、落叶、杂草、海藻等，原料来源丰富且变废为宝，符合环保要求；
[0030](2)本专利技术采用的制备方法为“全组分自组装法”，制备工艺十分简单，不引入污染严重的化学试剂，避免了传统纤维素基复合气凝胶制备传统方法“自下而上”组装过程中的繁杂工艺、严重能耗/污染、高成本、低效率、大量化学试剂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物质基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将生物质纤维废弃物粉末与功能性材料以重量比1：0.1～12混合均匀，然后向上述混合物中加水性溶剂，形成混悬液，使得所述生物质纤维废弃物在所述混悬液中的浓度为0.1～20mg/mL；S2：将S1获得的搅拌液进行均质，获得均质混合液；S3：将S2获得的均质混合液进行冷冻干燥，即得生物质基复合气凝胶。2.根据权利要求1所述的生物质基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S1所述的生物质纤维废弃物为植物质纤维废弃物；更进一步的，所述植物质纤维废弃物选自废纸、落叶、秸秆、甘蔗渣、杂草、废弃海藻中的任意一种或几种；更进一步的，所述落叶包括但不限于竹叶、银杏叶或柳叶的落叶。3.根据权利要求1所述的生物质基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S1所述的功能性材料包括但不限于镁铝层状双氢氧化物(即Mg
‑
Al
‑
LDH)、经过煅烧的镁铝层状双氢氧化物(即Mg
‑
Al
‑
CLDH)、金属有机框架化合物或共价有机骨架多孔晶体材料；进一步优选的，所述金属有机框架化合物包括但不限于ZIF
‑
67、Mg
‑
MOF
‑
74或HKUST
‑
1；或进一步优选的，所述共价有机骨架多孔晶体材料包括但不限于COF
‑
5、CAU
‑
17或JUC
‑
5。4.根据权利要求3所述的生物质基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，所述Mg
‑
Al
‑
LDH的制备方法包括：将AlCl3·
6H2O和MgCl2·
6H2O混合在去离子水中，形成摩尔比Mg：Al为3:1的溶液；其次，将所得的溶液加入到Na2CO3和NaOH质量比为2:1的碱性水溶液中，形成悬浮液，并通过NaOH调节溶液的pH值为10～11；随后，将获得的悬浮液转移到适当体积的聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，密封，然后在150～200℃下反应6～10小时；再次，用去离子水对反应体系进行三次离心洗涤，去除多余的杂质，50～70℃干燥10～16h，得到Mg
‑
Al
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：金春德，熊业，沈潇源，王哲，张平，
申请(专利权)人：浙江农林大学，
类型：发明
国别省市：