一种表面功能化木浆衍生炭吸附材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种表面功能化木浆衍生炭吸附材料及其制备方法与应用。该方法包括：将木浆板泡发后与纳米纤维素、水搅拌混合后，再加入磷酸溶液充分搅拌混合均匀后倒入模具冷藏为块状，充分冷冻干燥直至完全脱去水分后，在管式炉中惰性气氛条件下加热，冷却至常温后研磨得到颗粒状粉末。本发明专利技术所制备得到的表面功能化木浆衍生炭主要为絮状片层结构，表面具有丰富的羧基吸附位和羟基吸附位，能够通过表面络合的方式去除生活用水中的钙或镁离子，展现出优异的吸附性能。本发明专利技术的表面功能化木浆衍生炭吸附材料具有制备原料易得、成本低廉的特点，制备流程简单可行，能够有效软化生活用水，具备推广应用的前景。具备推广应用的前景。具备推广应用的前景。

【技术实现步骤摘要】
一种表面功能化木浆衍生炭吸附材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于生活用水处理
，具体涉及一种表面功能化木浆衍生炭吸附材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]洗浴用水是生活废水中非常常见的一部分。当水中的矿物离子与清洗剂中的脂肪酸反应，会在皮肤表面形成不溶性沉淀物，这种沉淀物将会大大增加皮肤的水分流失、削弱皮肤的屏障效应、堵塞毛孔从而诱发皮肤瘙痒。因此，从人体健康的角度考虑，调控洗浴用水中的可溶性钙、镁离子浓度从而实现生活用水的软化，具有实际价值和应用前景。
[0003]目前，研究人员已经开发出了多种水软化技术，如药剂软化法、离子交换法、膜分离法以及吸附法等。药剂软化法主要通过选择性地投加化学药剂使水中的钙、镁离子转化为不溶性氢氧化物或碳酸盐沉淀，但该法处理后的溶液呈现碱性，不适合用于对pH敏感的洗浴用水。离子交换软化法的工艺相对成熟，其主要缺点是树脂再生过程中会产生大量再生废水(酸性或碱性废水)，应用成本较高。膜分离法可有效避免二次污染，但存在膜表面污染和浓差极化的问题，使得清洗困难、耐用性差，需要定期更换膜配件，使用费用较高。相比之下，吸附法操作简便，被认为是能够推广应用的硬水软化方法。
[0004]尽管现有的部分吸附剂具有较大的表面积和良好的吸附能力，但其在但经济性和可持续性方面仍面临挑战，新型制备方法与合成工艺的研究尤显重要。生物炭，指的是利用木料、果皮、动物皮毛、植物叶子桔杆、农作物等作为原材料制备的炭材料。其往往具有空间孔隙发达、比表面积高、循环性能好的优点，从而备受吸附领域研究者的青睐。生物炭作为自然衍生的改性材料，对环境几乎没有污染，被认为是一种“绿色材料”。另外，生物资源也是地球上分布最广的物质资源，获取成本低廉。
[0005]除了孔道结构之外，生物炭材料的吸附性能非常依赖于表面的官能团，如羟基、羧基及磷酸基团等。这些基团通过表面络合的方法与钙、镁离子相连接，能促进对生活用水中可溶性钙、镁离子的吸附。然而，普通制备得到的生物炭表面往往缺乏这类有机官能团，使得其吸附性能偏低。
[0006]例如，现有文献报道了由棕榈仁饼(木质纤维素残渣)炭化衍生的衍生炭应用于钙离子的吸附，尽管作者已经对这一绿色生物炭进行了有效的改性，但是其对钙离子的单位吸附量仅有极低的5.06mg/g，并不能有效实现硬水软化(Maneechakr P,Karnjanakom S.Environmental surface chemistries and adsorption behaviors of metal cations(Fe
3+
,Fe
2+
,Ca
2+
and Zn
2+
)on manganese dioxide
‑
modified green biochar[J].RSC Advances,2019,9(42):24074
‑
24086)。
[0007]综上所述，通过改善工艺配方从而制备出一种易于获得、成本低廉且具有较高的硬度离子吸附量的吸附剂并应用于生活用水的软化，仍是该领域亟待解决的问题之一。

技术实现思路

[0008]为了克服现有制备技术、改性技术对硬度离子吸附容量极低的不足，本专利技术的目的是提供一种表面功能化木浆衍生炭吸附材料及其制备方法与应用，本专利技术的技术涉及硬水软化技术。
[0009]本专利技术的首要目的在于提供一种表面功能化木浆衍生炭的制备方法。
[0010]本专利技术的另一目的在于提供上述制备方法制备得到的一种表面功能化木浆衍生炭。
[0011]本专利技术的再一目的在于提供所述一种表面功能化木浆衍生炭在钙或镁离子吸附方面的应用。
[0012]本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0013]本专利技术提供通过简单磷酸化工艺构建表面功能化木浆衍生炭的制备方法，该制备方法包括：将纳米纤维素、木浆原液和、水和磷酸溶液进行不同比例混合后于室温下搅拌，所得到的混合溶液倒入模具冷冻，随后进行冷冻干燥处理，获得干燥木浆衍生炭前体，将干燥木浆衍生炭块状前体(具有多孔结构)置于管式炉中焙烧得到表面功能化木浆衍生炭吸附材料。
[0014]本专利技术提供的通过简单磷酸化工艺构建表面功能化木浆衍生炭的制备方法，具体包括如下步骤：
[0015](1)将水泡发木浆板，随后充分搅拌，制备5wt％
‑
30wt％的木浆原液，密封保存，作为表面功能化木浆衍生炭制备的原料。
[0016](2)将步骤(1)制备得到木浆原液与纳米纤维素、水充分搅拌混合后，再加入磷酸溶液参与表面功能化改性，充分搅拌混合后，得到混合溶液；
[0017](3)将步骤(2)所得到的混合溶液倒入方形模具，冷藏，使之变为块状的木浆衍生炭前体。
[0018](4)对块状的木浆衍生炭前体进行低温冷冻干燥处理，直至完全脱除水分，得到干燥木浆衍生炭块状前体。
[0019](5)将步骤(4)所得的干燥木浆衍生炭块状前体进行焙烧，冷却后研磨得到细小均匀的粉末颗粒，即为表面功能化木浆衍生炭吸附材料。
[0020]进一步地，步骤(1)所述木浆板为桉木浆板、杨木浆板、松木浆板中的一种以上。
[0021]进一步地，步骤(1)所述木浆原液为用去离子水泡发桉木浆板得到木浆原液。
[0022]进一步地，步骤(2)中，将木浆原液、纳米纤维素、去离子水充分搅拌混合后，再加入磷酸溶液继续搅拌混合实现表面功能化改性。
[0023]进一步地，步骤(2)所述磷酸溶液的质量分数≥75％。
[0024]优选地，步骤(2)所述磷酸溶液的质量分数为85％，即使用的是较高浓度的磷酸溶液。
[0025]进一步地，步骤(2)中，所述水的体积与纳米纤维素的质量之比为(1
‑
2)mL:1g。
[0026]进一步地，步骤(2)中，所述水为去离子水，所述水的体积与纳米纤维素的质量之比为1mL:1g。
[0027]进一步地，步骤(2)所述木浆原液与纳米纤维素的投加质量比为(0.8:1)～(1.5:1)。
[0028]优选地，步骤(2)所述木浆原液与纳米纤维素的投加质量比为1:1，即二者等质量比例混合。
[0029]进一步地，步骤(4)中，冷冻干燥氛围为真空状态，压强为100～300Pa。
[0030]进一步地，步骤(4)所述冷冻干燥的温度为
‑
50～
‑
65℃。
[0031]进一步地，步骤(5)所述焙烧为将步骤(4)中得到的干燥木浆衍生炭块状前体置于坩埚中，在管式炉中惰性气氛条件下加热进行焙烧。
[0032]进一步地，惰性气氛气体为氩气或氮气。
[0033]进一步地，惰性气氛气体的体积分数为99.999％。
[0034]进一步地，通入惰性气氛气体流量为60mL/min～100mL/min。
[0035]优选地，通入惰性气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面功能化木浆衍生炭吸附材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将木浆原液、纳米纤维素和水搅拌混合后，再加入磷酸溶液搅拌混合后倒入模具冷藏为块状的木浆衍生炭前体；(2)将步骤(1)中所得块状的木浆衍生炭前体冷冻干燥，得到干燥木浆衍生炭块状前体；(3)将步骤(2)中得到的干燥木浆衍生炭块状前体进行焙烧，冷却后研磨得到粉末，即为表面功能化木浆衍生炭吸附材料。2.根据权利要求1所述一种表面功能化木浆衍生炭吸附材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述木浆原液为用水泡发木浆板得到木浆原液。3.根据权利要求1所述一种表面功能化木浆衍生炭吸附材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，磷酸溶液的质量分数≥75％。4.根据权利要求1所述一种表面功能化木浆衍生炭吸附材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，木浆原液与纳米纤维素的质量比为(0.8:1)～(1.5:1)。5.根据权利要求1所述一种表面功能化木浆衍生炭吸附材料的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚萍，陈燕，钟文烨，王罗澜，杨思娴，宫志恒，贾诚浩，
申请(专利权)人：美的集团股份有限公司芜湖美的厨卫电器制造有限公司，
类型：发明
国别省市：