[发明专利]一种用于六价铬吸附的磷氮共掺杂生物质基多孔炭材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含有杂原子的多层次孔材料及其制备方法，具体说是一种以磷酸活化的生物质为碳质前体再嫁接含氮官能团的一种用于六价铬吸附的磷氮共掺杂生物质基多孔炭材料的制备方法。

背景技术

六价铬(Cr(VI))是环境中主要关注的优先污染物，具有致突变和潜在致癌性，铬污染水体对公共卫生构成重大威胁，因此，从废水中有效去除有害Cr(VI)的方法开发是健康生活的重要任务。吸附法因其操作简便，去除效率高等特点成为去除Cr(VI)的最常见的方法。相比于其他吸附材料，生物质基碳材料以其环境友好，比表面积突出，孔径可调以及价廉易得而受到广泛关注。然而大部分生物质炭表面带负电，限制了其对以阴氧离子形式存在于水体中的Cr(VI)的吸附。目前常见的解决方式是引入带正电的含氮官能团，聚乙烯亚胺(PEI)则是当前最具潜力的杂氮改性剂之一。然而未活化的生物质炭比表面积低，官能团缺乏等使其无法高效地嫁接PEI。因此，开发一种经济高效的生物质炭前体材料对于高杂氮吸附剂的应用推广具有十分重大的意义。生物质基碳材料的成功制备依赖于其活化过程。活化目的在于提高生物质基炭前体的比表面积，增大有效的吸附表面；丰富孔结构，多层次孔结构具有多种大小的孔隙，孔隙之间可互通，能改变吸附容量并改善传质；引入表面官能团，提供吸附位点及PEI嫁接位点。因此，制备高性能的PEI嫁接前体材料，合成适用于水体Cr(VI)吸附的复合多孔生物炭具有十分深远的意义和广大的前景。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于六价铬吸附的磷氮共掺杂生物质基多孔炭材料的制备方法。利用磷酸(H₃PO₄)为活化剂，直接与生物质混合后在N₂环境下高温碳化，产物经过洗涤和干燥后得到含磷多孔炭质前体，再嫁接PEI，合成适用于水中Cr(VI)吸附的磷氮共掺杂多孔炭材料。

本发明通过以下技术方案实现。

本发明所述一种用于六价铬吸附的磷氮共掺杂生物质基多孔炭材料的制备方法，包括以下步骤。

（1）将植物源生物质与磷酸按质量体积比1kg:2L~4L比例预混，在75-85°C油浴锅中搅拌2小时，将温度升至130℃~150℃蒸干样品，再将样品转入马弗炉内，通入氮气后，按10℃/分速率升温，至450℃ 550℃条件下，碳化2小时，然后冷却至室温。

（2）将步骤（1）碳化后所得材料用去离子水进行充分洗涤，并在80℃条件下干燥12-24小时即得到杂磷碳质前体。

（3）将步骤（2）所得的杂磷碳质前体与聚乙烯亚胺按质量体积比1kg:0.5L~5L比例混合，放入摇床在30℃、160rpm转速条件下振荡24小时后，加入质量浓度为0.1%~1%的戊二醛溶液，振荡30分钟，随后用去离子水充分洗涤，并在80℃条件下干燥12 24小时即得到目标产物。

本发明具有以下技术效果。

（1）本发明所制备的H₃PO₄活化的生物质基前体材料具有层次的多孔结构，丰富的含磷及含氧官能团，大于900 m²/g比表面积，具有较高的Cr(VI)吸附容量，同时非常有利于PEI的嫁接。

（2）本发明所制备的PEI改性后生物质基多孔炭吸附剂含有丰富的含磷，含氮官能团，可高效吸附水体中Cr(VI) ，303K条件下，最大吸附量可达306.8mg/g。

（3）处理高浓度废水 (Cr(VI)浓度达200 mg/L左右)出水可达饮用水标准（Cr(VI)浓度<0.05mg/L），并且几乎不受其他阴离子影响。

（4）制备步骤和设备简单，成本低廉，易于工业化生产。

（5）可直接用于环保领域，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为实施例1制备的PPAB10与前体材料PAB的氮气吸附脱附曲线。

图2为实施例1制备的PPAB10与前体材料PAB的孔径分布图。

图3为实施例1制备的PPAB10与前体材料PAB的热重分析图

图4为实施例1制备的PPAB10与前体材料PAB的红外光谱图。

图5为实施例1、2、3、4制备的炭材料以及前体材料PAB的在303K时的吸附模型图。

图6为实施例1制备的PPAB10在293K，303K和313K时的吸附模型图。

图7为实施例1制备的PPAB10与前体材料PAB在初始浓度为100mg/L和200mg/L条件下吸附动力曲线。