一种磁性磺化碳基纳米纤维及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及无机非金属材料领域，特指一种磁性磺化碳基纳米中空纤维及其制备方法和应用。将葡萄糖和硝酸铁以一定的比例混合溶解，经化学反应制备得到前驱体溶胶，随后减压脱水得到一定粘度的前驱体凝胶，再经过纺丝得到凝胶纤维素丝，再将得到的凝胶纤维素丝在350～400℃的下N2气氛下不完全碳化后，加入200ml的95%的浓硫酸在80～100℃下磺化8h。本发明专利技术首次提出以葡萄糖和铁盐为原料，采用有机凝胶先驱体转化法，结合不完全碳化和磺化作用制备出了直径均匀、比表面积大、具有较大长径比、磁性强的磁性磺化碳基纳米中空纤维，在用于催化高酸值油脂转化生物柴油时有较高的活性。由于本发明专利技术具有一定的磁性，还为纤维回收再利用提供了可能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无机非金属材料领域，特指一种磁性磺化碳基纳米中空纤维及其制备方法和应用。
技术介绍
随着石油资源的日益枯竭，石化柴油的供应日益紧张，生物柴油因其环境友好、可再生，有望取代石化柴油燃料，满足人们的需求；生物柴油的主要成分是脂肪酸短链醇酯， 主要以各种油脂与甲醇或乙醇为原料，通过酸、碱、酶等为催化剂或超临界条件下的酯交换反应而得。通常工业上生物柴油生产大多使用氢氧化钠、氢氧化钾等碱性催化剂，但碱性催化剂的使用对原料油脂的要求非常苛刻，如要求总游离脂肪酸质量分数不大于0. 5%，总水分质量分数不大于0. 1 0. 3%(原料中的水分会促进酯水解生成游离脂肪酸，从而引起皂化反应)，这无疑增加了生物柴油的生产成本，浓H2SO4是工业生产生物柴油常用的催化剂， 具有廉价、高效等优点，但会腐蚀设备，反应结束后催化剂的分离又会浪费大量的水，造成环境污染。固体酸催化酯交换过程不仅避免了反应中催化剂分离困难、废液多、腐蚀性强等严重问题，而且具有反应条件温和，催化剂可重复使用，容易采用自动化连续生产，以及对环境无污染等优点；目前，在生物柴油制备中常用的固体酸催化剂包括沸石分子筛、杂多酸、 离子交换树脂和固体超强酸等，但这些固体酸催化剂在使用过程中存在制备成本高、催化活性低、稳定性差、重复利用性不好等一系列问题，很难实现产业化应用，因此，研究和开发廉价、高效、稳定的固体酸性催化剂对于生物柴油产业的发展就显得至关重要。碳基固体酸是指一类以碳基材料为主体，通过在其表面修饰酸性基团而得到的催化剂；由于其原料来源广泛、价格低廉且结构易于调控的等特点，近年来被越来越多的应用在催化领域，这类催化剂的制备过程简单，通过将化学性质稳定的可溶性的酸(浓硫酸)通过与碳基的作用转变成不溶性的固体酸，从而取代传统的液体强酸催化酯交换反应。但是构成碳基固体酸的碳基材料是由一个个微小的碳块组成，这些碳块又是经片状石墨烯堆积而成，石墨烯片层之间的结合十分牢固，无法和其它活性基团结合，从而限制了其比表面积；本专利技术通过有机凝胶前驱体法，制备得到磁性碳基纤维，可以有效提高催化剂的比表面积，进而提升其催化性能。同时，磁性物质的添加，也将极大的简化催化剂的回收和重复利用的过程，使其具有更好的经济性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种磁性磺化碳基纳米中空复合纤维，其特征在于所述磁性磺化羰基纳米纤维的组分为Fe52O3和C-SO3H,该复合物具有磁性兼中空结构，所述磁性碳基纤维的直径0. 4 lMm，纤维长度IOMm 0. &1。本专利技术的目的之二是提供一种所述磁性纳米复合纤维的制备方法。为了制备出直径小、长径比大、性能优良的磁性磺化碳基中空纤维，采用有机凝胶前驱体法，将金属的有机盐或无机盐溶于适当的溶剂中，配置成均勻透明的溶液，达到近似分子水平的混合；为使前驱物在溶剂中发生水解-缩聚反应，应控制水量，反应时间或加入适当的催化剂；经过充分搅拌后形成溶胶，经干燥等措施，使溶胶粘度逐渐增大，在合适的粘度条件下，拉制成凝胶纤维素丝，再经干燥，氮气气氛热处理过程，获得目标载体磁性碳基纤维，磁性碳基纤维通过磺化，水洗，烘干最后制得磁性磺化碳基中空纤维材料。所述磁性磺化碳基中空纤维的制备方法，包括前驱体溶液的制备步骤、将制备好的前驱体溶制备成凝胶纤维素丝的步骤、将凝胶纤维素丝碳化的步骤、将磁性碳基纤维磺化的步骤。上述的制备方法中，前驱体溶液的制备步骤为首先将硝酸铁作为铁源，以及葡萄糖(G)溶于去离子水中，质量比m(!^3+):m(G)= 6 87 9，搅拌至均勻，室温下磁力搅拌 24小时。上述的制备方法中，将制备好的前驱体溶制备成凝胶纤维素丝的步骤为将制备好的前驱体溶液于50°c 70°C的条件下真空减压脱水，得到凝胶，经过挑丝、抽丝、甩丝或拉丝得到凝胶纤维素丝，随后将凝胶纤维素丝进行烘干。上述的制备方法中，将凝胶纤维素丝碳化的步骤为将凝胶纤维素丝在350 400°C温度范围内氮气气氛下焙烧，升温速率为3°C /min,保温5、小时，最后自然冷却到室温，得到磁性碳基纤维。上述的制备方法中，将磁性碳基纤维磺化的步骤为将磁性碳基纤维置于浓硫酸中，在80 100°C下磺化6 10h，过滤，将磺化后的纤维水洗，直至水中检测不到S042_为止，过滤之后在80 100°C度左右烘干水分，得到磁性磺化碳基纤维。所述前驱体溶液中!^e3+的浓度0. 03 0. 07mol/L，葡萄糖的浓度0. 10 0. 20mol/ L0所述将凝胶纤维素丝进行烘干指将凝胶纤维素丝置于80 100°C下进行烘干。本专利技术的目的之三是提供所述磁性磺化碳基纤维催化废油脂生成生物柴油性能的评价。考察不同的反应条件下，硫酸、磺化碳基粉末和纤维三种不同催化剂催化油酸和甲醇转化生物柴油的得率，结果如下表所示。___权利要求1.一种磁性磺化碳基纳米中空复合纤维，其特征在于所述磁性磺化羰基纳米纤维的组分为狗203和C-SO3H,所述磁性磺化羰基纳米纤维具有磁性且为中空结构，纤维的直径 0. 4 lMm，纤维长度IOMm 0. 2m。2.如权利要求1所述的一种磁性磺化碳基纳米中空复合纤维的制备方法，包括前驱体溶液的制备步骤、将制备好的前驱体溶制备成凝胶纤维素丝的步骤、将凝胶纤维素丝碳化的步骤、将磁性碳基纤维磺化的步骤；具体为(1)前驱体溶液的制备步骤为首先将硝酸铁作为铁源，以及葡萄糖(G)溶于去离子水中，质量比Hi(Fe3+) :m(G)= 6 8:7 9，搅拌至均勻，室温下磁力搅拌24小时；(2)将制备好的前驱体溶制备成凝胶纤维素丝的步骤为将制备好的前驱体溶液真空减压脱水，得到凝胶，经过挑丝、抽丝、甩丝或拉丝得到凝胶纤维素丝，随后将凝胶纤维素丝进行烘干；(3)将凝胶纤维素丝碳化的步骤为将凝胶纤维素丝在350 400°C温度范围内氮气气氛下焙烧，升温速率为3°C /min，保温5、小时，最后自然冷却到室温，得到磁性碳基纤维；(4)将磁性碳基纤维磺化的步骤为将磁性碳基纤维置于浓硫酸中，在80 100°C下磺化6 10h，过滤，将磺化后的纤维水洗，直至水中检测不到S042_为止，过滤之后在80 100°C度左右烘干水分，得到磁性磺化碳基纤维。3.如权利要求2所述的一种磁性磺化碳基纳米中空复合纤维的制备方法，其特征在于步骤(1)中前驱体溶液中!^3+的浓度0. 03 0. 07mol/L,葡萄糖的浓度0. 10 0.20mol/L。4.如权利要求2所述的一种磁性磺化碳基纳米中空复合纤维的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述将凝胶纤维素丝进行烘干指将凝胶纤维素丝置于80 100°C下进行烘干。5.如权利要求2所述的一种磁性磺化碳基纳米中空复合纤维的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述将制备好的前驱体溶液真空减压脱水指在于50°C 70°C的条件下真空减压脱水。6.如权利要求1所述的一种磁性磺化碳基纳米中空复合纤维在制备生物柴油中的应用。全文摘要本专利技术涉及无机非金属材料领域，特指一种磁性磺化碳基纳米中空纤维及其制备方法和应用。将葡萄糖和硝酸铁以一定的比例混合溶解，经化学反应制备得到前驱体溶胶，随后减压脱水得到一定粘度的前驱体凝胶，再经过纺丝得到凝胶纤维素丝，再将得到的凝胶纤维素丝在350～400℃的下N本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林琳，崔凤杰，武文钰，孙文敬，周强，
申请(专利权)人：江苏大学，江西省德兴市百勤异VC钠有限公司，
类型：发明
国别省市：