一种污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉及其制备方法和应用，属于材料改性技术领域；本发明专利技术首先利用富含蛋白质和多糖的污泥基有机质在水溶液中包覆纳米铝粉，得到包覆污泥基有机界面层的纳米铝粉颗粒，然后将包覆污泥基有机界面层的纳米铝粉颗粒与全氟辛酸溶液混合在加热超声处理过程中进行包覆，得到污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉；所述污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉在水溶液中有效包覆了污泥基有机质界面层，且成功掺杂了氟元素，理论上可以有效改善纳米铝粉的燃烧性能；所述方法简单易操作，更便于工业化应用。便于工业化应用。便于工业化应用。

【技术实现步骤摘要】
一种污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于材料改性
，具体涉及一种污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]铝粉具有高能量、低耗氧量、低毒性、成本低的特点，被广泛应用于发动机燃料中。将铝粉的粒径从微米级减少到纳米级能够提高其燃烧速率、显著降低点火延迟时间，因此纳米铝粉的应用受到广泛的关注。但是纳米铝粉的应用还存在一些关键难点：(1)纳米铝粉比表面积大，易团聚，首先团聚后的纳米铝粉不利于后续处理，其次纳米铝粉的团聚现象也会影响其燃烧性能。(2)铝粉表面与空气接触，表面易被氧化，形成一层致密的Al2O3层，降低纳米铝粉的燃烧速率和减少燃烧过程中的能量释放。
[0003]针对现有技术中纳米铝粉应用中存在的问题，提出在纳米铝粉表面包覆有机界面层，在国内外的研究中，很多有机材料被应用于纳米铝粉的包覆包括：聚多巴胺、茶多酚、单宁酸等。尽管在纳米铝粉表面包覆有机界面层能够减弱其团聚现象，且有机界面层隔离了氧气与铝粉的接触，抑制了铝粉的进一步氧化，实现了纳米铝粉颗粒化。但是，目前这些包覆材料均存在工艺复杂、成本较高、制备工艺污染大的问题，不利于纳米铝粉包覆技术的工业化应用。并且，现有的有机界面层的作用均着力于为后续材料包覆提供锚点和隔离铝粉与氧气，未考虑有机界面层成分所含能量较低，影响以包覆有机界面层的纳米铝粉为材料的推进剂的能量密度，还需针对该问题进行进一步研究。
[0004]目前已有研究中，氟作为强氧化剂，能够与铝发生反应生成AlF3，反应释放能量约为56.10kJ/g，是Al与氧反应释放能量(30.98kJ/g)的近两倍，且AlF3比Al2O3具有更强的气化性能，产生更高的压差，显著提高了传质速率，改善了能量释放和燃烧反应动力学。现有的一些含氟材料的尝试有：聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、全氟十四烷酸(PFTD)、全氟癸二酸(PFS)、全氟戊酸(PFPA)、全氟聚醚(PFPE)、氟石墨烯(GF)、聚氟多巴胺(PF)、3
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(全氟正己基)环氧丙烷(PFHP)和氟橡胶F2311。但是，现有的氟掺杂方案关键难点之一在于将有机氟溶解后才能实现包覆，制备方法难度都较高，限制了其工业化应用。因此需要提供一种方法简单、成本低且能够有效改善纳米铝粉燃烧性能的方法。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中改性纳米铝粉存在的成本高、功能单一等不足，本专利技术提供了一种污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉及其制备方法和应用；本专利技术首先利用富含蛋白质和多糖的污泥基有机质在水溶液中包覆纳米铝粉，得到包覆污泥基有机界面层的纳米铝粉颗粒，然后将包覆污泥基有机界面层的纳米铝粉颗粒与全氟辛酸溶液混合在加热超声处理过程中进行包覆，得到污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉；所述污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉在水溶液中有效包覆了污泥基有机质界面层，且成功掺杂了氟
元素，理论上可以有效改善纳米铝粉的燃烧性能；所述方法简单易操作，更便于工业化应用。
[0006]本专利技术中首先提供了一种污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉，所述污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉为表面光滑的球形颗粒；所述污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉中，污泥基有机界面层致密且厚度均匀，全氟辛酸均匀包覆于污泥基有机界面层外；所述污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉是内层为铝，中间层为污泥基有机物，外层为全氟辛酸的球壳结构。
[0007]本专利技术中还提供了上述污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉的制备方法，所述制备方法包括：
[0008](1)污泥基有机质溶解交联：
[0009]取污泥基有机质加入水溶液中，在水浴加热条件下进行超声溶解直至得到澄清溶液，然后加入柠檬酸，在同一温度下进行超声交联，得到有机界面层溶液；
[0010](2)包覆有机界面层的纳米铝粉颗粒的制备：
[0011]在所述有机界面层溶液中加入纳米铝粉充分混合后得混合液，将混合液在一定温度下机械搅拌进行包覆，包覆结束后，洗涤，干燥，得到包覆有机界面层的纳米铝粉颗粒；
[0012](3)污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉的制备：
[0013]将所述包覆有机界面层的纳米铝粉颗粒与全氟辛酸溶液一定温度下混合反应60～120min，反应结束后超声处理20～60min，然后洗涤，干燥，得到污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉。
[0014]进一步地，步骤(1)中，所述污泥基有机质的提取方法包括：将污泥与低共熔剂(DES)溶液混合后在室温下充分搅拌至溶解完全，得混合物，然后将混合物过滤取滤液，接着将滤液过滤分别得到DES溶液和污泥基有机质溶液，DES溶液回收，污泥基有机质溶液烘干并球磨30～60min，过200目筛子，得到污泥基有机质。
[0015]进一步地，所述污泥与DES溶液质量比为1：1～1：3；
[0016]所述污泥包括来源于市政污水处理厂或白酒厂中经过机械压滤后的污泥中的一种或两种；
[0017]所述DES是一种由氢键受体(HBA)和氢键供体(HBD)组成的熔点低于其单一组分的二元或多元混合物，在本专利技术中DES的氢键供体包括ChCl、NaOH、Na2CO3、KOH或K2CO3中的一种或多种；氢键受体包括尿素、草酸、甘油或乳酸中一种或多种。
[0018]进一步地，所述污泥的含水量为80％～85％；
[0019]所述氢键供体的浓度为1～3.5mol/L；所述氢键受体的浓度为0.5～1mol/L。
[0020]进一步地，步骤(1)中，所述水浴加热的温度为30～90℃；
[0021]所述柠檬酸添加量是污泥基有机质质量的30～65％；
[0022]所述超声交联时间为30～90min。
[0023]进一步地，步骤(2)中，所述纳米铝粉的质量为有机界面层溶液中的污泥基有机质质量的10～30倍；
[0024]所述机械搅拌的速率为200～500r/min，温度为30～60℃。
[0025]进一步地，步骤(3)中，所述全氟辛酸缓慢滴加到包覆污泥基有机界面层的纳米铝粉颗粒的水溶液中；
[0026]所述包覆污泥基有机界面层的纳米铝粉颗粒质量为去离子水质量的0.1～0.4；
[0027]所述全氟辛酸加料温度为55～90℃，反应温度与加料温度相同；
[0028]所述全氟辛酸加料量为纳米铝粉质量的0.1～0.2倍。
[0029]本专利技术中还提供了所述污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉在发动机燃料中的应用。
[0030]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0031]本专利技术中首先利用DES溶液高效提取污泥中的有机物，将得到的污泥基有机质在水溶液中进行超声至溶解充分，再与柠檬酸混合后继续水浴加热超声，此举主要是为了促进污泥提取物与柠檬酸交联，有利于后续有机物包覆纳米铝粉；将交联后的的混合有机物溶液与纳米铝粉混合，通过机械搅拌对纳米铝粉进行包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉，其特征在于，所述污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉为表面光滑的球形颗粒；所述污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉中，污泥基有机界面层致密且厚度均匀，全氟辛酸均匀包覆于污泥基有机界面层外；所述污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉是内层为铝，中间层为污泥基有机物，外层为全氟辛酸的球壳结构。2.一种污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉的制备方法，其特征在于，包括：(1)污泥基有机质溶解交联：取污泥基有机质加入水溶液中，在水浴加热条件下进行超声溶解直至得到澄清溶液，然后加入柠檬酸，在同一温度下进行超声交联，得到有机界面层溶液；(2)包覆有机界面层的纳米铝粉颗粒的制备：在所述有机界面层溶液中加入纳米铝粉充分混合后得混合液，将混合液在一定温度下机械搅拌进行包覆，包覆结束后，洗涤，干燥，得到包覆有机界面层的纳米铝粉颗粒；(3)污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉的制备：将所述包覆有机界面层的纳米铝粉颗粒与全氟辛酸溶液一定温度下混合反应60～120min，反应结束后超声处理20～60min，然后洗涤，干燥，得到污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉。3.根据权利要求2所述的污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述污泥基有机质的提取方法包括：将污泥与低共熔剂(DES)溶液混合后在室温下充分搅拌至溶解完全得混合物，然后将混合物过滤取滤液，接着将滤液过滤分别得到DES溶液和污泥基有机质溶液，将污泥基有机质溶液烘干并球磨得到污泥基有机质。4.根据权利要求3所述的污泥基有机质耦合全氟辛酸包覆纳米铝粉的制备方法，其特征在于，所述污泥与DES溶液质量比为1：1～...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐志祥，谭义，马雪芹，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：