阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于环境新功能材料技术领域，公开了一种阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料及其制备方法，所述阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料包括生物炭，所述生物炭表面修饰有阳离子型聚丙烯酰胺；所述阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料的制备方法包括：配置丙烯酰胺与二烯丙基二甲基氯化铵的混合溶液；将生物炭投放至混合溶液中，进行反应，得到黑色悬浊液；将黑色悬浊液和过硫酸铵进行反应，得到阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料。本发明专利技术提供的阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料具有表面带正电、吸附能力强、实际应用价值高等优点，能够用于吸附水体中带负电污染物，是一种极具前途的新型生物炭材料。

【技术实现步骤摘要】
阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料及其制备方法
本专利技术属于环境新功能材料
，尤其涉及一种阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料及其制备方法。
技术介绍
目前，生物炭是生物质通过热化学转化获得的一种富碳固体材料，其具有芳香性，还含有大量的含氧官能团，例如：羟基、羧基、羰基、酯基、环氧基等多种基团。这些理化特性使生物炭具有pH缓冲性、亲/疏水性、表面电性和离子交换能力等特点。这些特点使生物炭被广泛应用于农业、能源以及环境治理等多个领域。近年来，已有不少研究以生物炭作为研究对象，探索了其对于各种污染物的吸附性能。大量的报道表明了生物炭可作为吸附剂用于去除水体中的重金属、有机物等污染物。根据现有研究，生物炭对污染物的吸附机理涉及多种机制的共同作用，包括物理吸附、络合作用和静电作用等。为了进一步提高生物炭的吸附性能，大量的生物炭改性技术应运而生。包括酸碱改性、氧化剂改性、金属化合物改性等。这些改性方法主要通过改变生物炭的孔隙结构、灰分和官能团种类及含量以加强物理吸附和络合等机制在吸附过程中的作用，从而提高生物炭的吸附性能。然而，针对生物炭静电作用强化的改性技术尚未见报道。由于生物炭表面带负电，吸附带正电的污染物时，静电引力会促进吸附的进行；吸附带负电的污染物时，静电斥力的存在则会使吸附受阻，影响生物炭对带负电污染物的吸附效果。因此，如何降低生物炭的表面负电性乃至获得一种表面带正电的生物炭材料，对于有效去除带负电污染物具有十分重要的意义。通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：生物炭表面带负电，吸附带负电污染物时，两者之间的静电斥力会阻碍吸附的进行，影响生物炭对带负电污染物的去除效果。现有改性技术主要通过改变生物炭灰分和官能团的含量及种类，改善生物炭的孔隙结构来提高其吸附性能。但是这些改性技术无法改变生物炭的表面带电性质。因此，现有改性技术无法大幅度提高生物炭对带负电污染物的去除效果。现有技术中关于制备表面带正电的生物炭材料的方案尚未见技术报道。解决以上问题及缺陷的难度为：生物炭的表面负电性与灰分、含氧官能团、极性基团等理化性质相关。通常，灰分、含氧官能团、极性基团含量越高，生物炭的表面负电荷越多。虽然，酸碱改性等技术可以降低生物炭的灰分含量，但是也会为生物炭引入新的含氧基团。由于含氧基团的增加有助于吸附性能的提升，现有的改性技术会通过各种改性试剂提高含氧基团含量，而不会针对性地降低含氧基团的含量。因此，现有改性技术不能降低生物炭的表面负电性。解决以上问题及缺陷的意义为：有利于提高生物炭对带负电污染物的吸附效果。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料及其制备方法。本专利技术是这样实现的，一种阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料，所述阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料包括生物炭，所述生物炭表面修饰有阳离子型聚丙烯酰胺。本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述的阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料的阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料的制备方法，所述阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料的制备方法包括以下步骤：步骤一，配置丙烯酰胺与二烯丙基二甲基氯化铵的混合溶液；步骤二，将生物炭投放至步骤一得到的混合溶液中，进行反应，得到黑色悬浊液；步骤三，将步骤二得到的黑色悬浊液和过硫酸铵进行反应，得到阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料。进一步，步骤一中，所述丙烯酰胺与二烯丙基二甲基氯化铵的混合溶液中丙烯酰胺与水的质量体积比为(20g～40g)：100mL，二烯丙基二甲基氯化铵与水的质量体积比为(10～60g)：100mL。进一步，步骤二中，所述生物炭和混合溶液的质量体积比为(10～20)g：100mL，所述反应为向所述混合溶液通入(100mL～200mL)/min氮气并在50～60℃下以转速为100rpm～180rpm搅拌1h。进一步，步骤三中，所述过硫酸铵与黑色悬浊液的质量体积比为(1mg～20mg)：100mL，所述反应为在50℃～60℃下以转速为100rpm～180rpm搅拌12h。丙烯酰胺为聚合物单体，二烯丙基二甲基氯化铵为阳离子单体。在一定浓度下与生物炭混合后，部分单体附着于生物炭上，通过加入适量的过硫酸铵使两种单体反应形成阳离子型聚丙烯酰胺。该过程由于生物炭的存在，阳离子型聚丙烯酰胺会附着于生物炭上，获得生物炭复合材料。本专利技术的另一目的在于提供一种所述的阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料在吸附水体中带负电污染物中的应用。进一步，所述阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料在吸附水体中带负电污染物中的应用方法，包括：将阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料与含带负电污染物的水体混合进行振荡处理，完成对水体中带负电污染物的吸附处理。进一步，所述阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料与含带负电污染物的水体的质量体积比为(0.5g～1.0g)：1L。进一步，所述带负电污染物为铬，所述含带负电污染物的水体中带负电污染物的初始浓度为10mg/L～500mg/L。进一步，所述振荡处理的温度为20℃～30℃，所述振荡处理的转速为150rpm～200rpm，所述振荡处理的时间为0.5h～24h。结合上述的所有技术方案，本专利技术所具备的优点及积极效果为：本专利技术提供的阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料，包括生物炭，生物炭表面修饰有阳离子型聚丙烯酰胺。本专利技术中，阳离子型聚丙烯酰胺的分子链上带有正电荷基团，具有很强的电性中和作用，其分子量可达百万甚至千万以上，故其也拥有很强的吸附架桥作用，将丙烯酰胺与二烯丙基二甲基氯化铵反应制备阳离子型聚丙烯酰胺，用于修饰生物炭，有利于改变吸附材料的表面带电性质，提供含氮基团，提高吸附能力，拓展生物炭材料在处理收到污染的水体方面的应用。本专利技术阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料具有表面带正电、吸附能力强、实际应用价值高等优点，能够用于吸附水体中带负电污染物，是一种极具前途的新型生物炭材料。本专利技术阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料中，由于阳离子型聚丙烯酰胺的修饰，改变了生物炭的表面带电性质，生物炭表面于阳离子型聚丙烯酰胺的含量越高，生物炭表面的正电性越强，与带负电污染物之间的静电引力越强，因而对带负电污染物的吸附去除效果越好。本专利技术还提供了一种阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料的制备方法，以丙烯酰胺和二烯丙基二甲基氯化铵为原料，过硫酸铵作为引发剂制备阳离子型聚丙烯酰胺并通过物理吸附和化学作用修饰在生物炭表面，具体为将生物炭投放到丙烯酰胺和二烯丙基二甲基氯化铵的混合溶液中，通入氮气除氧，随后加入过硫酸铵进行反应，生成阳离子型聚丙烯酰胺，并负载于生物炭表面。可见，本专利技术制备方法具有工艺简单、容易操作、反应条件温和易控、成本低廉、耗时短等优点，适于连续大规模批量生产，便于工业化利用。本专利技术还提供了一种阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料在吸附水体中带负电污染物中的应用，通过将阳离子型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料，其特征在于，所述阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料包括生物炭，所述生物炭表面修饰有阳离子型聚丙烯酰胺。/n

【技术特征摘要】
1.一种阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料，其特征在于，所述阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料包括生物炭，所述生物炭表面修饰有阳离子型聚丙烯酰胺。


2.一种如权利要求1所述的阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料的制备方法包括：
步骤一，配置丙烯酰胺与二烯丙基二甲基氯化铵的混合溶液；
步骤二，将生物炭投放至步骤一得到的混合溶液中，进行反应，得到黑色悬浊液；
步骤三，将步骤二得到的黑色悬浊液和过硫酸铵进行反应，得到阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料。


3.如权利要求2所述的阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述丙烯酰胺与二烯丙基二甲基氯化铵的混合溶液中丙烯酰胺与水的质量体积比为20g～40g：100mL，二烯丙基二甲基氯化铵与水的质量体积比为10～60g：100mL。


4.如权利要求2所述的阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述生物炭和混合溶液的质量体积比为10～20g：100mL，所述反应为向所述混合溶液通入100mL～200mL/min氮气并在50～60℃下以转速为100rpm～180rpm搅拌1h。


5.如权利要求2所述的阳离子型聚丙烯酰胺修饰的生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述过硫酸铵与黑色悬浊...

【专利技术属性】
技术研发人员：李辉，邓佳钦，刘宇男，黄忠良，谭梦娇，吴子剑，张轩，覃晓莉，黄兢，
申请(专利权)人：湖南省林业科学院，
类型：发明
国别省市：湖南;43