[发明专利]一种氧官能团化的炭材料及应用

说明书

技术领域

本发明属于吸附剂技术领域，主要涉及炭材料氧化表面改性和炭材料超声氧化表面改性以及表面修饰炭材料的吸附和催化性能，特别涉及一种快速无污染的表面修饰炭材料的方法。具体的讲，通过双氧水或超声辅助双氧水氧化修饰等方法对炭材料进行表面修饰，得到的氧官能团化的炭材料具有丰富的含氧官能团，且孔结构和强度基本保持不变。氧官能团化的炭材料对于Ag⁺、Cu^2-、Cr⁶⁺等金属离子的吸附容量较原料炭材料均有大幅度提高；通过浸渍氧官能团化的炭材料制备的浸渍炭催化剂用于氯化氰防护时，相同制备条件下较原料炭材料的防护时间提高了20-30％。

技术背景

炭材料由于具有高的比表面积、发达的孔隙结构、丰富的表面官能团和优异的化学和物理稳定性而广泛应用于吸附和催化领域。炭材料用于吸附剂/催化剂载体时，孔结构和表面性能是影响活性组分分散和稳定的关键因素，也是吸附剂/催化剂主要控制因素。因此炭材料的孔结构控制及表面化学性质调变是提高吸附剂/催化剂性能的根本和关键。

就炭材料自身而言，影响其应用的因素不外乎孔隙物理结构和孔表面化学结构，炭材料的表面化学性质决定了其化学吸附特性。化学性质主要指炭材料表面的化学官能团，其中主要为含氧官能团。含氧官能团又可分为酸性含氧官能团和碱性含氧官能团：酸性基团有羧基、酚羟基、醌型羰基、正内酯基及环式过氧基等，碱性氧化物普遍认为为类吡喃酮结构基团。酸性氧化物使炭材料具有极性，有利于吸附各种极性较强的化合物；碱性化合物易吸附极性较弱或非极性物质。表面化学结构可通过后期改性处理改变其酸碱性，从而制得具有特殊吸附性能的改性炭材料。炭材料表面化学性质的改性主要采用氧化改性方法。氧化改性主要利用强氧化剂在适当的温度下对炭材料表面的官能团进行氧化处理，从而提高表面含氧基团的含量，增强表面的极性。表面极性较强的炭材料易吸附极性物质，从而可以达到对金属粒子的吸附脱除或用于制备催化剂等。化学官能团作为活性中心支配了炭材料表面化学性质，而炭材料表面官能团的数量和种类主要是由生产炭材料的原材料所决定，从而对成品炭材料进行改性处理以进一步改善其吸附性能具有极其重要的意义。

综上所述，由于制备炭材料的前体如煤和生物质变化多样，因此炭材料产品的重复性不佳，从而导致以炭材料为原料的吸附剂和催化剂的性能具有较大差异。为了解决这些问题就必须对炭材料进行改性，并针对不同的用途进行炭材料的表面改性，创造性地开发炭材料的新用途。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种氧官能团化的炭材料及其应用，通过双氧水或超声辅助双氧水氧化修饰等方法对炭材料进行表面修饰，得到的氧官能团化的炭材料具有丰富的含氧官能团，且孔结构和强度基本保持不变。氧官能团化的炭材料对于Ag⁺、Cu²⁺、Cr⁶⁺等金属离子的吸附容量较原料炭材料均有大幅度提高；通过浸渍氧官能团化的炭材料制备的浸渍炭催化剂用于氯化氰防护时，相同制备条件下较原料炭材料的防护时间提高了20-30％。

本发明的技术方案是：

将作为原料的炭材料与一定浓度的双氧水按不同比例混合，然后在一定温度下恒温处理后，经过滤，洗涤，干燥，得到表面修饰的炭材料。然后对得到表面修饰的炭材料进行表征，确认表面官能团和强度的变化，将得到的表面修饰的炭材料制备的浸渍炭催化剂用于氯化氰防护时间测试及对水中Ag⁺、Cu²⁺、Cr⁶⁺等金属离子的吸附性能的研究。

具体的反应步骤如下：

配置浓度为1％～30％的双氧水或超声辅助双氧水溶液，称取适量的炭材料，将双氧水溶液与炭材料的质量比控制在1-20之间进行混合，在25-150℃温度下处理炭材料并恒温0.1-10h，经过过滤、洗涤、干燥，得到表面修饰的炭材料。

本发明得到表面修饰的炭材料，可以放入含有Ag⁺、Cu²⁺、Cr⁶⁺等金属离子溶液中，该表面修饰的炭材料对水中金属离子的吸附容量较原料炭材料均有大幅度提高；通过浸渍氧官能团化的炭材料制备的浸渍炭催化剂用于氯化氰防护时，相同制备条件下较原料炭材料的防护时间提高了20-30％。