[发明专利]一种基于生物质废弃物资源化利用的三维sp2杂化炭材料的制备和应用

说明书

本发明涉及生物质废弃物资源化利用的三维sp²杂化炭材料的制备以及环境中苯环类有机污染物污染治理技术领域。具体制备步骤包括将生物质废弃物粉碎，去离子水清洗去除杂质末，干燥。然后选用碱液处理生物质。干燥后的生物质高温缺氧环境中进行炭化处理获得三维sp²杂化炭材料。本发明涉及到三维sp²杂化炭材料可以应用于苯环类有机污染物污染的水体及土壤等环境的修复。该发明实现了社会经济效益最大化，环境友好化。炭材料的制备工艺简单，操作简单，节能环保。应用范围广泛，效果能达到98％以上。

技术领域

本发明涉及生物质废弃物资源化利用的三维sp²杂化炭材料的制备以及在环境中苯环类有机污染物污染治理技术领域的应用。

背景技术

sp²杂化炭材料属于一种具有石墨(或者尺度较小的微晶石墨)层状结构或者由大量缺陷而形成的织状特征(丰富孔隙)和大比表面积的新型碳材料。其参与杂化的电子形成游离的π键，使得材料具有较好的电子导电性和其他独特的电学性能，使其在环境污染治理中也体现出一定的优越性。为了更好地对sp²杂化炭材料加以利用，有研究者将纳米结构的sp²杂化炭材料进行组装、构建成三维材料，从而在更大尺度和空间中体现纳米基元的优异特性。苯环类化合物因具有稳定的苯环结构，自然降解效果差，在环境中稳定存在，已作为环境污染治理的主要研究对象。利用sp²杂化炭材料与苯环结构都具有π电子结构，二者可以形成pi-pi共轭作用而结合，从而达到高效去除的效果。因此sp²材料在苯环类污染物治理中具有相当的可行性。通过石墨烯组装、构建形成的sp²杂化炭材料成本过高、工艺复杂等问题明显，一定程度上限制了其在环境污染治理中的应用。中国木质纤维素资源丰富，仅农作物秸秆年产生量就有约7亿t，林木枝叶和农林业废弃物约9亿t。木质纤维素是一种具有高度结晶区、结构非常稳定的超分子，主要由40％-50％纤维素、15％-30％半纤维素以及15％-30％木质素3种化学物质组成。生物质废弃物制备的生物质炭具有高度的芳香化，其中芳香化结构主要来源于碳化过程纤维素芳构化。由于制备的炭前体结构致密，层间距小，碳化形成的sp²杂化结构堆叠形成石墨结构。而经过本发明中碱预处理过程，使得碳前体发生膨胀、溶胀作用，结构疏松，结晶度降低，层间距增大，使得碳化过程形成sp²杂化结构得以保留。本发明基于生物质废弃物的资源化利用，主要是利用核桃壳、莲杆、莲蓬、花生壳、栗子壳、莲壳、茶树子壳、桐树子壳、松树子壳、桉树皮、稻壳、芦苇、秸秆、红薯渣、甘蔗渣等原料通过采用碱溶液超声预处理废弃物形成三维疏松多孔炭材料前体，并在此基础上缺氧高温炭化制备三维sp²杂化炭材料，应用于环境中苯环类有机污染物治理。该发明为我国生物质废弃物的资源化利用以及苯环类有机污染物污染水体的治理提供一条全新的思路。

发明内容

本发明的目的，是提供一种基于生物质废弃物资源化利用的三维sp²杂化炭材料的制备及应用。

本工艺发明所涉及的炭材料利用生物质废弃物，不仅实现了生物质废弃物的资源化利用，节约成本，高效环保，而且制备三维sp²杂化炭材料提供新思路。

本发明一种基于生物质废弃物资源化利用的三维sp²杂化炭材料的制备方法，步骤如下：

(1)将生物质废弃物粉碎获得20-40目粒径的颗粒，去离子水清洗去除杂质末，于105℃干燥3-5h，备用。

(2)选用质量浓度0.1％-10％的碱液按固液比例为1∶10-1∶30(g∶ml)处理生物质废弃物，温度为60-65℃，超声处理2-5h。用去离子水洗至中性，105℃干燥备用。

(3)干燥后的生物质在温度为100-500℃，以5-50℃/min程序升温的条件下进行预处理。