[发明专利]一种羧基化多级孔碳材料及其制备方法和在重金属吸附的应用

说明书

本发明属于碳吸附材料领域，具体涉及一种羧基化多级孔碳材料的制备方法：将壳聚糖与添加剂A进行第一段焙烧处理，得到焙烧料A；所述的添加剂A为M元素的碳酸盐、碳酸氢盐、氢氧化物中的至少一种；所述的M元素为碱金属元素、碱土金属元素中的至少一种；将焙烧料A和EDTA进行第二段焙烧处理，得到焙烧料B；将焙烧料B进行羧基化修饰，制得所述的羧基化多级孔碳材料。本发明还提供了所述的制备方法制得的材料及其在重金属吸附中的应用。本发明利用所述的添加剂A、EDTA顺次的二段热处理协同，可实现协同，可以在无模板下即可构建微孔、介孔和大孔的多级孔结构，还有助于改善制得的材料的吸附性能。该制备方法步骤简单，可控，成本低廉，应用领域广泛。

技术领域

本发明涉及重金属吸附领域，具体涉及一种多级孔碳材料的制备方法及重金属吸附应用。

背景技术

目前，人们对开发现有商业活性炭的廉价和有效替代品相当感兴趣，这将增强环境的可持续性，并为未来的商业应用提供各种好处。壳聚糖，一种主要由2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖单元组成的生物多糖，来源于甲壳动物细胞、昆虫外骨骼和真菌细胞壁中的几丁质，是仅次于纤维素的第二丰富的生物聚合物。壳聚糖作为甲壳素的去乙酰化产物，因其具有成本效益高、来源广、无毒、生物相容性好、可生物降解等优点而备受关注壳聚糖作为碳前驱体，且壳聚糖分子结构中的氨基基团反应活性较强，碳化后仍具有优异的生物学功能并能进行化学修饰反应，其中羧基化是最常用和最有效的方法之一。

现有手段虽能一定程度改善碳基材料吸附性能，但其吸附性能还不理想，吸附的容量还有较大的提升空间。孔道尺寸对于材料的性质和用途具有决定性的作用，有利于活性物质的吸附和传输。多级孔材料具备多样的孔道结构、高的热稳定性、高比表面和大的孔容以及高的扩散性和存储性等，因此在化学工业、生物技术、环境能源等领域中，相比单一孔材料而言更具应用优势。

目前主要合成多级孔材料的方法是模板法，模板法虽然能够制备出多孔道结构的多孔碳，但制备过程必须经过添加模板﹑去除模板等步骤，工序繁琐，制备时间长。因此，现有的多级孔碳材料的制备方法存在多孔碳孔道范围狭窄、制备工序繁琐、时间长以及成本高的问题。

发明内容

为解决现有碳基吸附材料的多级孔道及对重金属吸附容量仍不理想的问题，本发明第一目的在于，提供一种简易的孔道结构易于调控的无模板多级孔道碳材料的制备方法，旨在获得具有大孔、介孔和微孔共存的多级孔道结构。

本发明第二目的在于，提供所述的制备方法制得的多级孔道碳材料。

本发明第三目的在于，提供所述的多级孔道碳材料用作重金属吸附材料中的应用。

一种羧基化多级孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)：将壳聚糖与添加剂A进行第一段焙烧处理，得到焙烧料A；所述的添加剂A为M元素的碳酸盐、碳酸氢盐、氢氧化物中的至少一种；所述的M元素为碱金属元素、碱土金属元素中的至少一种；

步骤2)：将焙烧料A和EDTA进行第二段焙烧处理，得到焙烧料B；

步骤3)：将焙烧料B进行羧基化修饰，制得所述的羧基化多级孔碳材料。

本发明创新地发现，将壳聚糖预先和添加剂A进行第一段焙烧，随后再和EDTA进行第二段焙烧，可以在无模板下，即可实现多级孔道的构建核控制，再经羧酸化改性处理，能够意外地进一步协同，能够显著改善制得的吸附材料对重金属的吸附性能。本发明技术方案无需添加模板以及脱模板，操作简便，且制得的材料的多级孔结构完整，配合所述的羧基化修饰，可以实现多级孔道内的改性，有助于协同改善重金属的吸附效果。

本发明研究发现，所述的添加剂A、EDTA成分联合以及顺次参与的两段焙烧工艺的联合控制是改善制得的材料的多级孔道及重金属吸附能力的关键。本发明研究还发现，采用单一的焙烧、或者未采用本发明物料以及顺次二段焙烧工艺，均不利于实现多级孔道及吸附材料的重金属吸附性能。