[发明专利]一种炭气凝胶小球及其制备方法和作为重金属吸附材料的应用

说明书

本发明公开了一种炭气凝胶小球及其制备方法和作为重金属吸附材料的应用。将酚类化合物、醛类化合物、壳聚糖和海藻酸钠溶解至水中，进行聚合反应，得到凝胶溶液；将所述凝胶溶液滴加至含氯化钙的饱和硼酸溶液中形成凝胶小球；所述凝胶小球依次进行老化、干燥和炭化处理，即得炭气凝胶小球，该炭气凝胶小球具有发达孔结构、较大比表面积，且富含杂原子，对重金属表现出优异的吸附‑钝化性能，可以广泛用于重金属污染水体或重金属污染土壤的处理，具有吸附容量高，易于回收的特点，有良好的工业应用前景。

技术领域

本发明涉及一种炭气凝胶小球及其制备方法和应用，特别涉及一种掺杂纳米金属的炭气凝胶小球，还涉及炭气凝胶小球的制备方法，以及作为含重金属废水吸附剂和重金属污染土壤钝化剂的应用，属于环境工程技术领域。

背景技术

炭气凝胶由于其特殊的三维空间结构而具有比表面积大、导电性高、化学稳定性好、环境相容性好、表面化学可调等特点。但因为碳材料本身存在亲水性差、表面活性低等特点，以及其繁琐的制备过程制约了其发展和应用。现有技术中炭气凝胶的制备步骤主要分为三步：1.凝胶化阶段：通过溶胶-凝胶和老化过程形成和增强凝胶；2.干燥：在常温、冷冻或超临界条件下干燥获得气凝胶；3.炭化：在流动的氮气气氛下高温炭化，形成炭气凝胶(“Carbon Aerogels for Environmental Clean-Up”，Gan G,et al..European Journalof Inorganic Chemistry,2019,2019(27):3126-3141)。常用的制备方法是以间苯二酚和甲醛为原料在碱性催化剂的作用下形成凝胶，然后以二氧化碳为介质进行超临界干燥制得有机气凝胶，再将有机气凝胶在惰性气体保护下高温热解即得碳气凝胶。这种方法的缺陷在于制备凝胶时必须有碱性催化剂的催化，当催化剂浓度较高时凝胶在超临界干燥和碳化过程中均有很大收缩，难以得到低密度的碳气凝胶，而当催化剂浓度较低时往往得不到凝胶(“碳气凝胶及其复合材料的制备与应用”，杨鸷，中国科学技术大学，2020)。近年来针对炭气凝胶制备的简化主要集中在原料的改进和探寻，而对于碳材料本身的特点则采用了掺杂改性法使其得到优异的性能。

氮在元素周期表中位于碳的右边相邻位置，两者的化学性质相似，比较容易结合。当氮掺杂进入碳材料里面时，氮可以取代碳材料中的碳原子，氮原子的掺入改变了碳材料的表面电子性能，增加了碳材料的缺陷位(即催化活性位)点，进而提高了催化活性；二是含氮碳材料表面的碱性基团与活性组分之间的强相互作用，有利于金属活性组分在碳材料表面的分散，且可起到抑制积碳的形成，同时也能通过改善表面结构来增强碳材料的亲水性和表面活性。溶胶凝胶反应制得的湿凝胶在常压干燥过程中网络结构极易收缩、内陷、开裂，为了保证凝胶骨架的强度和孔道的完整，现有技术中通常在溶胶凝胶过程中通过加入一些粘结剂和交联剂来增强骨架强度。

中国专利(CN109647295B)公开了一种气凝胶小球的制备方法及应用。将海藻酸钠和N-琥珀酰壳聚糖分别溶于去离子水中混合均匀，然后将二者溶液充分混合、超分散处理后倒入膜具冰冻成型、冰冻干燥后得到未交联的海藻酸钠/N-琥珀酰壳聚糖复合气凝胶；然后将复合气凝胶浸入钙铝离子混合溶液中进行交联反应，反应结束后用去离子水反复冲洗，冰冻后再冷冻干燥即得到交联的海藻酸钠/N-琥珀酰壳聚糖复合气凝胶。该专利技术得到的海藻酸钠/N-琥珀酰壳聚糖复合气凝胶具有优秀的表面亲和力和高比表面积以及优异的机械性能。但是该专利技术得到的小球比表面积较炭气凝胶球的较小，并且需要多次冷冻干燥，且每次时间需长达24h以上，整个制备过程时间需要四天以上，耗时较长。目前，鲜有气凝胶小球经炭化处理后在重金属污染处理上的应用。

发明内容

针对现有存在的合成工艺复杂、效率低等技术问题以及常规制备的炭气凝胶材料本身表面活性低等特性，本发明的第一个目的是在于提供一种具有发达孔结构、大比表面积、含有极性基团及纳米金属掺杂的炭气凝胶小球，该炭气凝胶小球对水或土壤中的重金属表现出较高的吸附和钝化活性。

本发明的第二个目的是在于提供一种炭气凝胶小球的制备方法，该制备方法过程操作简单，成本较低，有利于大规模化生产。