一种改性废弃咖啡渣生物炭吸附材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种改性废弃咖啡渣生物炭吸附材料及其制备方法，该生物炭吸附材料由海泡泥、壳聚糖和十六烷基磺丙基甜菜碱复合改性咖啡渣而成，并应用于海洋溢油治理。本发明专利技术通过废弃的咖啡渣先与海泡泥高温反应成咖啡渣生物炭土，海泡泥可使吸附材料具有较大的比表面积和高孔隙率，增加吸附活性点，提高吸油率。再与十六烷基磺丙基甜菜碱和壳聚糖反应，其中，壳聚糖可以减少咖啡渣炭土的团聚，在海水中形成天然凝胶浮于水面，提高生物炭的保油率和便于回收；十六烷基磺丙基甜菜碱具有良好的疏水性，可与负载咖啡渣表面形成光滑分子层构成双层亚胶束结构，提高吸附材料疏水性。提高吸附材料疏水性。提高吸附材料疏水性。

【技术实现步骤摘要】
一种改性废弃咖啡渣生物炭吸附材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于海洋溢油污染处理
，具体涉及一种改性废弃咖啡渣生物炭吸附材料及其制备方法

技术介绍

[0002]石油在开采或运输过程中，由于意外事故或操作失误，造成原油或油品从作业现场或储器里外泄，流向地面、水面、海滩或海面，同时由于油质成分的不同，形成薄厚不等的一片油膜，这一现象称为溢油。海上发生溢油污染事故发生时，为了防止油污染区域继续扩大以造成更大的损失，需要对油污进行及时有效地处理。在面对油污染时，常用的处理方法可分为：物理处理法、化学处理法和生物处理法。其中，物理吸附法是利用活性炭、玉米秸秆、聚氨酯吸油树脂等吸油材料对水中所包含的油分子进行吸附，进而实现去除油污的目的。
[0003]活性炭是由木质、煤质和石油焦等含碳的原料经热解、活化加工制备而成，具有发达的孔隙结构、较大的比表面积和丰富的表面化学基团，特异性吸附能力较强的炭材料的统称，被广泛地用于重金属污水处理、废气处理、染料污水处理等方面。专利CN114570342A公开了一种硅烷化活性炭吸附材料的制备方法和专利CN110732315A公开的活性炭吸附材料、其制备方法及其在催化分解有机污染物领域中的应用均是利用活性炭的大孔径表面，增加其亲水性，可有效地选择吸附有机物的特性对污水进行处理。然而，这些活性炭由于密度大于海水的密度，并不适合用于海洋溢油处理。因此寻找无毒且环保、可浮于海水表面、快速吸油的吸附材料非常重要。专利CN 110237814 A公开的利用热分解法制备的焦炭活性炭，具有高吸油率且可短时间浮于海水表面表面，但是其保油率差无法长时间使用。本专利技术基于废物再利用，将海泡泥、壳聚糖和十六烷基磺丙基甜菜碱与废弃咖啡渣反应，生成一种具有较好吸附能力、良好的保油率和可浮于海水表面的废弃咖啡渣生物炭吸附材料，吸油后的油渣可作为是潜在生物燃料使用，实现废弃咖啡渣生物炭在海洋溢油污染治理中的应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的第一个专利技术目的在于：提供一种由废弃咖啡渣制备的新型吸附材料，用于吸附海洋油污染物。该吸附材料具有成本低廉、合成工艺简单，克服了目前吸油材料所存在成本高、吸油时间长和保油率低等不足，吸油后所得油炭的点火温度为210.78℃，可作为是潜在生物燃料使用，从而实现废物再利用，具有大规模商业化应用的潜能。
[0005]本专利技术的第二个专利技术目的在于：本专利技术选用的海泡泥可增加咖啡渣生物炭材料的比表面积和孔隙率，使材料整体更加疏松多孔；通过十六烷基磺丙基甜菜碱与咖啡渣通过阳离子交换作用附着在咖啡渣表层，利用疏水作用力发生有序化聚集，形成表面疏水缔合物构成的双层亚胶束结构，提高咖啡渣吸附材料的疏水性，克服了活性炭的高亲水性和吸油能力低等问题。
[0006]本专利技术的第三个专利技术目的在于：本专利技术引入天然高分子产物壳聚糖作为改性剂，使其与咖啡渣中的纤维素以氢键和物理缠结相互作用，在海水中可形成天然凝胶浮于海水表面，且长时间疏水保油，克服了活性炭材料吸油后沉降、不易回收和低保油率等不足。
[0007]为达到上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：1)将新鲜的废弃咖啡渣通过Tyler 35目筛进行筛分，筛分后咖啡渣用超纯水清洗、过滤后置于100℃的真空烘干箱中干燥至恒重，得到干燥粉末；2)将海泡泥置于烧杯中，向烧杯中不断加入1.0mol/L NaOH溶液，直到溶液刚好没过海泡泥的表面后，100r/min机械搅拌8h，过滤、用超纯水清洗至中性，100℃干燥至恒重，得到NaOH浸海泡泥；3)向步骤1)所述的干燥粉末中依次缓慢加入步骤2)所述的NaOH浸海泡泥、100mL 1mol/L的FeCl3溶液和100mL的1mol/L天然有机酸，40℃水浴下，100r/min机械搅拌12h后真空抽滤，用超纯水清洗至中性，100℃干燥至恒重，得到咖啡渣炭土混合体；4)将步骤3)所述的咖啡渣炭土混合体置于10mL/min的流速加压N2保护的马弗炉中，300℃焙烧40min后，炉冷至室温20min后取出，得到黑色炭土粉末；5)将步骤4)所述的黑色炭土粉末溶解于NaOH(6wt.％)
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尿素(12wt.％)
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超纯水(82wt.％)混合溶液中，在
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12℃水浴中快速机械搅拌8min后，加入壳聚糖粉末，在
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12℃水浴中快速机械搅拌30min后，得到均匀的黑色溶液；6)将步骤5)所述的黑色溶液过滤后，置于
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25℃真空冷冻干燥机中冷冻干燥24h，得到黑色冷冻粉末；7)将步骤6)所述的黑色冷冻粉末在室温自然解冻后，置于100mL十六烷基磺丙基甜菜碱超纯水溶液中，置于超声振荡器中振荡15min，使黑色粉末均匀分散在溶液中。后把混合液置于60℃水浴锅中，继续机械搅拌4h后，用0.45μm PTFE滤膜抽滤，利用无水乙醇和超纯水多次冲洗黑色滤出固体直至滤液无泡沫后，将黑色滤出固体于100℃真空干燥24h，即得到改性废弃咖啡渣生物炭吸附材料。其中，本专利技术所涉及的原料组分(重量百分比wt％.)：37.76％
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45.45％废弃咖啡渣、22.72％
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36.76％海泡泥、10.74％
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13.63％壳聚糖、14.71％
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18.18％十六烷基磺丙基甜菜碱；所述步骤3)中天然有机酸为奎宁酸、柠檬酸、酒石酸、苹果酸等一种或两种。天然有机酸能够与咖啡渣炭土中的金属离子形成有机盐，扩大碳晶体之间的距离，在炭土表面及内部形成多活性位点。
[0008]本专利技术的有益效果是：
[0009]1、本专利技术提供一种由废弃咖啡渣制备的新型吸附材料，用于吸附海洋油污染物。该吸附材料具有成本低廉、合成工艺简单，克服了目前吸油材料所存在成本高、吸油时间长和保油率低等不足，吸油后所得油炭的点火温度为210.78℃，可作为是潜在替代燃料使用，从而实现废物再利用，具有大规模商业化应用的潜能。
[0010]2、本专利技术提供一种改性废弃咖啡渣生物炭吸附材料及其制备方法和应用，海泡泥作为矿土改性剂，可增加咖啡渣生物炭材料的比表面积和孔隙率，使材料整体更加疏松多孔；通过十六烷基磺丙基甜菜碱与咖啡渣通过阳离子交换作用附着在咖啡渣表层，利用疏水作用力发生有序化聚集，形成表面疏水缔合物构成的双层亚胶束结构，提高咖啡渣吸附材料的疏水性。
[0011]3、本专利技术提供一种改性废弃咖啡渣生物炭吸附材料及其制备方法和应用，引入天然高分子产物壳聚糖作为改性剂，使其与咖啡渣中的纤维素以氢键和物理缠结相互作用，在海水中可形成天然凝胶，可长时间疏水保油，减少咖啡渣飘散于海水表面，便于回收。
附图说明
[0012]图1为用于处理海洋溢油污染的改性废弃咖啡渣生物炭的制备步骤图。
[0013]图2为用于处理海洋溢油污染的改性废弃咖啡渣生物炭的红外光谱图。
[0014]图3为用于处理海洋溢油污染的改性废弃咖啡渣生物炭的X射线衍射分析图。
[0015]图4为用于处理海洋溢油污染的改本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性废弃咖啡渣生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将新鲜的废弃咖啡渣通过Tyler 35目筛进行筛分，筛分后咖啡渣用超纯水清洗、过滤后置于100℃的真空烘干箱中干燥至恒重，得到干燥粉末；2)将海泡泥置于烧杯中，向烧杯中不断加入1.0mol/L NaOH溶液，直到溶液刚好没过海泡泥的表面后，100r/min机械搅拌8h，过滤、用超纯水清洗至中性，100℃干燥至恒重，得到NaOH浸海泡泥；3)向步骤1)所述的干燥粉末中依次缓慢加入步骤2)所述的NaOH浸海泡泥、100mL 1mol/L的FeCl3溶液和100mL的1mol/L天然有机酸，40℃水浴下，100r/min机械搅拌12h后真空抽滤，用超纯水清洗至中性，100℃干燥至恒重，得到咖啡渣炭土混合体；4)将步骤3)所述的咖啡渣炭土混合体置于10mL/min的流速加压N2保护的马弗炉中，300℃焙烧40min后，炉冷至室温20min后取出，得到黑色炭土粉末；5)将步骤4)所述的黑色炭土粉末溶解于6wt.％NaOH、12wt.％尿素、82wt.％超纯水混合溶液中，在
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12℃水浴中快速机械搅拌8min后，加入壳聚糖粉末，在
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12℃水浴中快速机械搅拌30min后，得到均匀的黑色溶液；6)将步骤5)所述的黑色溶液过滤后，置于
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25℃真空冷冻干燥机中冷冻干燥24h，得到黑色冷冻粉末；7)将步骤6)所述的黑色冷冻粉末在室温自然解冻后，置于100mL十六烷基磺丙基甜菜碱超纯水溶液中，置于超声振荡器中振荡15min，使黑色粉末均匀分散在溶液中；后把混合液置于60℃水浴锅中，继续机械搅拌4h后，用0.45μmPTFE滤膜抽滤，利用无水乙醇和超纯水多次冲洗黑色滤出固体直至滤液无泡沫后，将黑色滤出固体于100℃真空干燥24h，即得到改性废弃咖啡渣生物炭吸附材料。2....

【专利技术属性】
技术研发人员：王天舒，史晓萍，
申请(专利权)人：山东交通学院，
类型：发明
国别省市：