[发明专利]一种富氧官能团碳/伊利石复合吸附剂材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种富氧官能团碳/伊利石复合吸附剂材料及其制备方法，属于非金属矿物材料与环境工程领域。

背景技术

当今社会，环境污染是人类面临和亟需解决的重大挑战。吸附法具有操作过程简便、处理能力大、运行成本低和可以重复利用等优点，是一种理想的环境污染治理技术。碳质材料由于具有较大的比表面积、发达的空隙结构、优良的吸附性能和较高的化学稳定性，广泛应用于水处理和空气污染治理领域，是一种使用最广泛的吸附剂材料。活性炭吸附材料可去除有机废水中大部分有机物，生物需氧量BOD、化学需氧量COD一般可去除30％-60％，另外还可以有效去除某些重金属离子。研究表明，活性炭的表面化学性质很大程度上由表面官能团的类别和数量决定，活性炭表面最常见的官能团是含氧官能团，主要包括羧基、内酯基、羰基和酚羟基等。表面含氧官能团影响活性炭的表面反应、表面行为、亲(疏)水性、催化性质和表面电荷等，从而影响活性炭的吸附行为。一般来说，活性炭表面的含氧官能团数量越多，其酸性位点越多，对污染物的吸附捕捉性能越好。但活性炭材料一般采用化学气相沉积和高温分解等方法制备，表面含氧官能团数量较少。

为了提高碳质材料表面含氧官能团的数量，科研工作者采用了对碳质材料表面进行化学氧化改性方法，制备富氧官能团碳质材料。

文献(1)活性炭表面官能团的氧化改性及其吸附机理的研究(科学技术与工程，2012，24(12)：6133-6138)、(2)活性炭表面酸性含氧官能团对吸附甲醛的影响(环境污染与防治，2010，32(3)：18-22)综述了碳质材料表面化学氧化改性方法，指出采用HNO₃、H₂O₂和O₃氧化改性是增加活性炭表面含氧官能团的最常用方法。HNO₃氧化法采用体积分数为10％-60％的HNO₃在303-363K温度下振荡反应2h；然后静置陈化24h；滤去浸渍液后放入干燥箱中在100℃下干燥活化2h；最后用去离子水洗涤至中性，在105℃下干燥制得。该制备方法经历硝酸氧化反应、陈化、洗涤、活化、再洗涤、最后干燥等步骤，工艺流程复杂；采用高浓度的硝酸，在较高温度下进行反应，操作环境不安全，工业生产中对设备腐蚀严重，酸处理样品需要用大量蒸馏水洗涤，对环境污染严重；而且HNO₃的氧化性较强，一般会破坏活性炭的孔壁，造成微孔缺失，中孔和大孔增多，减小比表面积和孔容积，影响吸附效果。相关实验结果表明，当HNO₃体积分数从10％增大到60％，羧基含量仅从0.35mmol/g增大到1.81mmol/g，酚羟基含量仅从0.26mmol/g增大到0.80mmol/g，内酯基含量仅从0.25mmol/g增大到0.57mmol/g。因此，HNO₃氧化法不仅工艺流程复杂，反应条件苛刻，对环境污染严重，会破坏碳质材料本身结构特性，而且表面含氧官能团数量增加不明显。虽然H₂O₂和O₃氧化改性条件比较温和，对活性炭孔隙结构的影响较小，改性后孔结构破坏微小，但改性样品表面含氧官能团数量增加较少。

伊利石是一种2:1层型的天然层状硅酸盐矿物，具有离子交换特性和吸附能力。针对上述富氧官能团碳质材料及其制备方法存在的不足，本发明申请提出一种富氧官能团碳/伊利石复合吸附剂材料及其制备方法。即以伊利石为载体，可溶性糖类为碳源，首先通过水热碳化法在伊利石片层表面均匀负载纳米碳颗粒，然后再采用低温热处理法对水热碳化产物进行氧化改性，制备新型的富含含氧官能团的碳质复合吸附剂材料。

发明内容

本发明的技术方案是：以伊利石为载体，可溶性糖类为碳源，首先通过水热碳化法在伊利石片层表面均匀负载纳米碳颗粒，然后再采用低温热处理法对水热碳化产物进行氧化改性，从而制备出富氧官能团碳/伊利石复合吸附剂材料。

用本发明所制备的富氧官能团碳/伊利石复合吸附剂材料中，含氧官能团数量达到7.0-9.0mmol/g。

其制备方法及工艺步骤如下：

(1)按伊利石：碳源：水＝1：1-5：20-50的质量比混合均匀，转移进入高压反应釜中在160-240℃条件下水热反应12-24h。然后进行过滤、烘干和研磨，得到水热碳化产物；所述的碳源为可溶性糖类，如葡萄糖、蔗糖、纤维素、淀粉、麦芽糖等；