[发明专利]一种多孔碳环境修复材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于环境修复技术领域，具体涉及去除水体、土壤环境中重金属离子和有机污染物的修复材料的制备方法。

背景技术

重金属污染是指由重金属及其化合物引起的环境污染，重金属污染物难以降解，并且可以在动物和植物体内积累，通过食物链逐步富集，浓度可以成千成万甚至成百万倍地增加，从而进入人体造成危害。重金属污染对人群健康的危害是全面且多层次的，它的毒理作用表现为：生殖障碍、影响胎儿的正常发育、威胁儿童以及成人身体健康等，最终降低人口身体素质、阻碍人口的可持续发展。

水体以及土壤等有机污染物中重金属污染不但对耕地与农产品质量构成严重威胁，而且直接对民众身体健康造成威胁，影响社会稳定。有机物对于环境的污染以及对人体危害是潜在而巨大的，特别是持久性有机污染物，由于它的污染源广、难以降解、易于积蓄，要真正解决有机污染物带来的问题，决不是容易的事。

多孔碳材料是一种以碳为骨架的多孔性材料，具有比较高的表面积，被广泛认为是很有潜力的吸附剂。多孔碳材料包括活性碳、活性碳纤维、碳纳米管、有序介孔碳以及新型聚合物基碳。掺杂型多孔碳材料能够更加有效地去除污水以及土壤中的重金属离子，如Cu²⁺、Hg²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺和Ni²⁺等。其中，活性碳因为具有高孔隙度、以及高比表面积和容易获得等优点，已被广泛应用于水处理领域。

然而可再生的商业活性炭仍然价格昂贵，研究更经济的替代技术或吸附剂来吸附降解水体、土壤环境中重金属离子和有机污染物，已受到广泛关注。多孔碳材料的吸附作用主要分为物理吸附以及化学吸附。物理吸附是指由于碳材料内部分子在各个方向受力大小相同，从而导致表面的分子受到不平衡的力，所以使得物质被吸附在多孔碳的表面。多孔碳材料因其具有均一的孔尺寸、高的表面积和大的孔体积而能够进行物理吸附。化学吸附是指多孔碳材料与被吸附物质发生化学反应而产生吸附，但是纯的多孔碳吸附能力往往有限。

人们研究发现，在碳的表面修饰一些官能团，如羧基、氨基、羟基等。这些官能团与金属离子间能够形成共价键，从而增强多孔碳的化学吸附能力。多孔碳材料的吸附大多数是物理吸附以及化学吸附的综合作用。

香蒲草为多年生宿根性沼泽草本植物，植株高1.4-2米，有的高达3米以上。根状茎白色，长而横生，节部处生许多须根，老根黄褐色。茎圆柱形，治理，质硬而中立。叶呈扁平带状，长达1米多，宽2-3厘米，光滑无毛。基部呈长鞘抱茎。花单行，肉穗状化学顶生圆柱状似蜡烛。

香蒲草是水生作物，对气温反应敏感，秋季蒲株地上部逐渐枯黄，但根状的香蒲顶芽转入休眠越冬。此时会有大量的香蒲草枯叶，资源十分丰富。但是目前为止这种量大、成本低廉的香蒲草作为生物废弃物而未被人们充分利用。

发明内容

本发明目的是提供一种可充分利用香蒲草为原料，生产一种多孔碳环境复合材料的方法。

本发明包括以下步骤：

1）将风干后的香蒲草枯叶，主要是采集香蒲草的枯叶置于耐高温容器中放在管式炉中，在放置时将材料尽可能地压实，这样可以一次性更多地烧制材料，也可以将香蒲草中的空气可以排空，最后在氨气条件下进行高温碳化处理，降温后得到香蒲草碳；经过以上碳化处理，取得莲藕状多孔碳材料。

2）将香蒲草碳、硫脲和硼酸铵混合研磨，取得多孔碳环境修复材料粗品。硫脲在高温下会变为g-C₃N₄，将香蒲草碳与硫脲以及硼酸铵混合球磨，球磨时候的高温会使得硫脲变为g-C₃N₄，同时在球磨中硼酸铵中的硼元素会复合到多孔碳材料中。最终的得到结果中是香蒲草碳这种多孔碳上会长上g-C₃N₄，并且会有硼元素。本发明g-C₃N₄是通过硫脲球磨产生的高温而得到的，相比较之前那些通过高温烧制来说是一个创新。

进一步地，本发明在所述步骤2）后，以H₂O和乙醇对多孔碳环境修复材料粗品进行洗涤，只需要加适量的H₂O和乙醇进行洗涤就行，可以先加水也可以先加乙醇，没有固定的添加顺序，也没有固定的添加比例。添加H₂O和乙醇是为了洗掉香蒲草碳中的无机盐，选用这两种洗涤材料也是因为这两种材料能最大程度上不影响到材料的性能。最后取得多孔碳环境修复材料精品。