[发明专利]一种泡沫炭负载纳米碳纤维的制备及吸附油污的应用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种泡沫炭负载纳米碳纤维的制备及其吸附油污的应用方法，属于无机非金属炭素材料科学技术领域。

背景技术

当今社会，石油做为能源占有及其重要的地位。然而，在石油开采、加工、运输与使用过程中，有相当数量的石油泄露、废弃于海洋中。全世界每年进入海洋的石油污染物在1000万吨以上，这些污染为海洋生态系统带来毁灭性的灾难，因此对海水中油污的治理成为当务之急。目前国际上对油污的治理有化学方法和物理方法。化学方法采用的是包括乳化分散剂、集油剂、凝油剂等在内的化学消油剂。化学消油剂对厚度小于1mm的油膜可有效清理。但化学方法会消耗大量的药品，另外还可能产生二次污染。物理方法一般采用围油栏、清污船及附属回收装置、吸油材料(包括高分子材料、无机多孔物质及纤维等)清理油污。物理方法以其环境友好，除油速度快等优点受到广泛的重视。目前主要以聚丙烯基吸油材料为主，市场售价在3500-4000美元每吨，成本相对较高。此外，由于聚丙烯基洗油材料大多为柔性材料组成，因此吸油后保油能力差，稍一加压就会重新漏油。同时，由于聚丙烯材料软化温度低于150℃，因此只能通过挤压进行脱油，使其难以多次重复使用。通常聚丙烯基吸油材料的使用次数为2-3次。这些缺点的存在使得它们的应用受到了限制，开发新型吸油材料成为当务之急。研究表明，具有超疏水性表面的大孔材料可以有效的进行油水分离(Angewandte Chemie-International Edition，2004.43(15)：2012-2014；Advanced Materials，2006.18(23)：3063-3078.)。

泡沫炭是一种具有高孔隙率、低密度、强耐酸耐碱耐化学腐蚀、较高的导热系数和热稳定性、较高的机械强度以及高度开放孔结构的大孔泡沫状炭材料。这些特点使泡沫炭具有成为优异的吸油材料的可能。例如，泡沫炭高达97％的孔隙率保证了其可以吸附超过自身重量20-30倍的重质油；泡沫炭的低密度使其可以在油污吸附前后均漂浮于海面，便于对其进行处理；强耐腐蚀性能保证了其可以长期在海水甚至高腐蚀环境中使用；较高的导热系数和热稳定性使其有可能通过加热处理方法对吸附的油污进行分离，并保证了其重复使用的可能；较高的机械强度保证了泡沫炭实际应用的可行性并增加其吸油后的保油能力；而大孔结构有利于对如石油、重质油等高粘度油污进行吸附。但将泡沫炭作为吸油材料应用于海水油污治理方面的研究至今仍旧没有报道。这可能是由于以下几个原因所致：1、目前泡沫炭主要以中间相沥青为前驱体通过发泡法合成。虽然所得到的泡沫炭具有其自身的优异特性，但原料中间相沥青成本相对较高，同时合成时需高温高压，因此难以大批量的应用于海水油污治理方面。2、所得到的泡沫炭开孔率较低，孔径较小，不利于高粘度油污的吸附与脱附。3、更为重要的是虽然炭材料本身具有一定的疏水性，但接触角较小，因此难以达到高效的油水分离效果。通过在泡沫炭表面生长纳米碳纤维有可能改变泡沫炭表面浸润性，使其成为超疏水性材料。然而，虽然泡沫炭表面生长纳米碳纤维的报道屡见不鲜(Fuel，2009.88(1)：46-53；Journal of Materials Chemistry，2008.18(21)：2426-2436)，但对其超疏水性以及油水分离性能还没有进行过深入的研究。此外，由于现有工艺大多为在合成的泡沫炭表面通过浓酸氧化以及金属盐溶液浸渍等工艺进行纳米碳管生长所需催化剂担载，这一过程费时冗长且产品质量难以保证，同时浓酸的使用将增加成本并带来环境问题。因此，我们提出一种简单易行并可实现大规模生产的泡沫炭负载纳米碳纤维的制备及吸附油污的方法。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种泡沫炭负载纳米碳纤维的制备及吸附油污的应用方法。该方法工艺简单、成本低廉、泡沫炭表面负载纳米碳纤维复合材料表面具有超疏水性、油污吸附速度快、吸附材料易于回收。

本发明采用的技术方案是：一种泡沫炭负载纳米碳纤维的制备方法如下：

(1)按镍元素与聚酰胺酸固含量比值为0.1-4∶100的比例称取镍盐，使镍盐溶于聚酰胺酸的二甲基乙酰胺溶液中，形成镍盐与聚酰胺酸的二甲基乙酰胺溶液，将作为模板的高聚物泡沫在上述溶液中浸渍2-5min，取出浸渍后的模板泡沫，挤压出过量镍盐与聚酰胺酸的二甲基乙酰胺溶液获得复合物泡沫，将挤压后的复合物泡沫放入恒温箱，在60℃下干燥5-10h固化，将固化后的复合物泡沫置于石英舟中，在管式电阻炉内以1-10℃/min程序升温至700-1500℃，炭化处理0.5-10h，冷却至室温后得到载镍泡沫炭；