一种利用青稞秸秆制备氮掺杂多孔碳的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种使用青稞秸秆为原料制备氮掺杂多孔碳(K

【技术实现步骤摘要】
一种利用青稞秸秆制备氮掺杂多孔碳的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于碳基材料与新型吸附剂
，涉及一种氮掺杂多孔碳吸附材料，具体为一种利用青稞秸秆制备氮掺杂多孔碳的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]随着城市化进程加速和城市规模不断扩大，传统燃油汽车等加剧了城市大气挥发性有机物（VOCs）污染。尤其是VOCs具有显著的人体健康效应，并加剧温室气体效应和光化学烟雾的产生，恶化了城市大气环境并对人群健康造成损害风险。因此，有效削减控制城市中包含汽油在内的VOCs并控制臭氧生成成为亟需解决的环境问题之一，而吸附技术在控制汽油等VOCs污染方面具有价格便宜等显著优势，成为研究广泛关注的焦点之一。
[0003]活性炭材料通常具有较大比表面积、发达的孔结构以及丰富的表面化学基团，由于具有成本低廉等显著优势成为常用的优良吸附剂之一，在挥发性有机物处理、防毒除臭等领域具有较大的利用价值并展示了较好的应用前景。工业制备活性炭的原料主要包含木屑、木片、煤、椰壳及高聚物等（Carbon，1998，36(7)：1085—1097．），氢氧化钾（KOH）是常用的活化剂。我国是传统的农业大国，利用农业废弃物资源化制备活性炭避免了焚烧和填埋处理给资源环境带来的负面影响，还能够将农业废弃物变废为宝用于环境污染治理，引起了学者们广泛的关注（高分子通报, 2021(7):33
‑
42.）。青稞杆作为青藏高原地区一种农业废弃物，具有产量大、原料价格便宜等特点。尤其是每年大量的青稞杆都被作为垃圾处理，焚烧或者填埋会造成资源的极大浪费且污染环境，国内外鲜有报道利用青稞秸秆为原料制备活性炭的相关研究。文献检索发现，张生明利用ZnCl2化学活化法制备了比表面积为914.7 m2/g的活性炭，优化了影响活性炭制备过程中造孔的最佳工艺条件为“活化温度600
°
C、浸渍率250％和活化时间60分钟”（青海科技, 2008, 5,38
‑
39）。利用青稞杆制备活性炭的理论知识需要进一步完善和规范，如何调控青稞秸秆制备活性炭吸附剂的孔道结构和比表面积是当前学术研究和工业应共同关注的热点之一。此外，暂未检索到利用青稞秸秆制备氮掺杂多孔碳吸附汽油的相关研究报道。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术使用青稞秸秆为原料，以KOH和四甲基氢氧化氨 (TMAOH)为活化药剂，通过两步活化法合成了氮掺杂的多孔碳K
‑
thAC吸附剂。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：本专利技术提供一种利用青稞秸秆制备氮掺杂的多孔碳K
‑
thAC的制备方法，包括以下步骤：（1）将青稞秸秆清洗并烘干，剪碎为10
‑
15cm的小段，在惰性气体氛围中碳化，得到初步碳；（2）惰性气体氛围下，将初步碳与氢氧化钾混合并进行高温活化，然后在惰性气体氛围下自然冷却，再使用0.5N盐酸与纯净水洗至中性，最终100
‑
120 ℃烘干10
‑
15 h后得到
活性炭K
‑
AC吸附剂；（3）将活性炭K
‑
AC与四甲基氢氧化氨溶液混合，1200 r/min转速下搅拌反应，过滤后使用纯净水洗净，然后100
‑
120℃烘干10
‑
15 h后得到氮掺杂的多孔碳K
‑
thAC吸附剂。
[0006]进一步地，步骤（1）中，所述碳化的温度为450
‑
550 ℃，碳化的时间为1.5
‑
2.5 h。
[0007]进一步地，步骤（1）中，所述惰性气体为氩气。
[0008]进一步地，步骤（2）中，所述初步碳与氢氧化钾的质量比为1:2
‑
1:5，所述惰性气体为氩气。
[0009]进一步地，步骤（2）中，所述高温活化的条件包括：300
‑
400℃维持1.5
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3.5h，然后升温至800
‑
900℃维持2.5
‑
3.5h。
[0010]进一步地，步骤（3）中，所述四甲基氢氧化氨溶液的质量浓度为1%
‑
25%。
[0011]进一步地，步骤（3）中，所述活性炭K
‑
AC与四甲基氢氧化氨的质量体积比为1:15
‑
1:25 g /ml。
[0012]进一步地，步骤（3）中，将活性炭K
‑
AC与四甲基氢氧化氨溶液混合，20
‑
30 ℃，1200 r/min转速下搅拌反应18
‑
25 h。
[0013]本专利技术还提供一种如上所述的制备方法制备得到的氮掺杂的分层多孔碳在吸附材料中的应用，所述应用包括吸附汽油。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术采用青稞秸秆和活性剂（KOH与TMAOH）通过热解反应合成了氮掺杂的多孔碳K
‑
thAC吸附剂。研究证实了K
‑
thAC吸附剂具有优异的汽油蒸汽吸附性能，且具有吸附量大和吸附动力学好等显著特点；此外本专利技术首次证明了四甲基氢氧化铵是一种优良的掺氮药剂。
[0015]通过四甲基氢氧化铵在较为缓和条件下的活化，可以有效地在活性炭表面引入活性基团，配合KOH与自身的羟基，可以起到很好的刻蚀孔隙与引入富电子基团的作用，而且相对其他掺氮方式更为简便，能量消耗更加少。
[0016]本专利技术制备的K
‑
thAC吸附剂具有最大比表面积和孔体积分别为3119 m2/g和2.27 cm3/g，对汽油的饱和吸附量最大达到501 mg/g。与大多数工业活性炭相比，K
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thAC吸附剂吸附汽油蒸汽具有显著的优势。
[0017]K
‑
thAC是一种氮掺杂的多孔碳吸附剂。TMAOH中的氮元素能够在室温和搅拌条件下成功取代中间产物中的碳或氧原子，为后续实现氮掺杂反应奠定元素基础。在活化反应过程中，具有较强碱性的TMAOH能够提供电子并在较宽松的反应条件下选择性刻蚀原来的孔隙，使得吸附剂前驱体表面微孔和介孔分布更加丰富、大孔比例显著较少，能够为汽油分子有效传质提供具有分层多孔结构的传质通道。
[0018]本专利技术合成的K
‑
thAC对汽油蒸汽具有良好的吸附性能，具有吸附容量大、吸附动力学优良等优点。尤其是K
‑
thAC具有原料和活性剂成本低、合成方法简单、孔径分布可调等显著优点，可作为工业上高效吸附VOCs的替代品。其次，低浓度TMAOH能够在温和条件下高效活化K
‑
thAC的突出特点，具有较广阔的AC活化应用前景。
附图说明
[0019]图1为本专利技术实施例1制备得到的氮掺杂的多孔碳K
‑
thAC的静态吸附图；
图2为本专利技术实施例2制备得到的K
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种两步法合成氮掺杂的多孔碳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将青稞秸秆清洗并烘干，剪碎为10
‑
15 cm的小段，在惰性气体氛围中碳化，得到初步碳；（2）惰性气体氛围下，将初步碳与氢氧化钾混合，再进行高温活化，然后在惰性气体氛围下自然冷却，之后分别使用0.5 N盐酸与纯净水洗至中性，100
‑
120 ℃烘干10
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15 h得到活性炭K
‑
AC；（3）将活性炭K
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AC与四甲基氢氧化氨溶液混合，1200 r/min转速下搅拌反应，过滤后使用纯净水洗净，然后100
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120 ℃烘干10
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15 h得到氮掺杂的多孔碳。2.根据权利要求1所述的两步法合成氮掺杂的多孔碳的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述碳化的温度为450
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550 ℃，碳化的时间为1.5
‑
2.5 h。3.根据权利要求1所述的两步法合成氮掺杂的多孔碳的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述惰性气体为氩气。4.根据权利要求1所述的两步法合成氮掺杂的多孔碳的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述初步碳与氢氧化钾的质量比为1:2
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【专利技术属性】
技术研发人员：鞠勇明，杨净，龚雨，张胜田，孔祥吉，蔡小宇，
申请(专利权)人：生态环境部南京环境科学研究所，
类型：发明
国别省市：