本发明涉及环保材料技术领域，特别涉及一种基于羧基化改性的表面巯基化碳纤维制备方法。
背景技术：
环境污染问题已成为人们关注的焦点问题，而水中重金属污染是一个极为重要的环境保护问题。重金属是环境中的一类重要污染物，由于其具有毒性大，不能被生物降解，易累积等特征，因此一旦进入水体及土壤环境，就很难从环境中去除。其既可造成生态环境的恶化，还可进入食物链，对人体造成巨大危害。但常常由于某些主观原因或客观原因使其未经处理达标就被排入河流、湖泊或海洋，或者进入了土壤中，导致水环境和土壤环境受到污染。水中重金属元素的来源包括矿山开采过程产生的废水、选冶生产过程产生的废水、金属加工过程产生的废水以及电镀过程产生的废水。通常去除水中重金属的方法很多，吸附法是常用的有效方法之一。因此，近些年来，开发新型、高效的重金属吸附材料一直是环保领域研究的热点之一。
碳纤维是有机纤维在1000℃以上的高温下炭化，且含碳量在90%以上的高性能纤维，碳纤维材料具有发达的表面微孔结构和较大的比表面积，碳纤维孔径分布狭窄且均匀，可以通过吸附作用去除对水溶液的污染物，对水溶液中的有机物和重金属离子等有较大的吸附容量和较快的吸附速率，对低浓度吸附质仍保持有较高的吸附量。因此，碳纤维在水处理中的应用具有较为广泛的前景。
然而，现有使用碳纤维进行水溶液去污染的过程中，由于碳纤维对有机物和重金属离子等污染物质的吸附能力有限，碳纤维的使用量往往较大，使用碳纤维对水污染进行处理的成本较高。
技术实现要素：
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于羧基化改性的表面巯基化碳纤维制备方法，采用浓硝酸对碳纤维进行了巯基化表面改性，利用巯基化试剂含有的氨基与碳纤维表面的羧基发生酰胺化反应，从而引入巯基，利用巯基基团的配合能力来提高碳纤维对重金属的吸附性能。
根据本发明实施例的一个方面，提供一种基于羧基化改性的表面巯基化碳纤维制备方法，其特征在于，所述方法包括：
将碳纤维置于体积比1：1的乙醇／丙酮溶液中回流48h后，取出浸泡后的所述碳纤维并置于80℃的烘箱内进行烘干；
每隔预设时间段将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值未在第一预设合格数值范围内，则将所述碳纤维继续送入所述烘箱内进行烘干，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值在第一预设合格数值范围内，则将所述碳纤维送入装有回流管的通风橱中；
在所述通风橱中，将所述碳纤维用质量百分比浓度为40%~80%的浓硝酸溶液在恒温条件下超声处理1~3h，其中，超声处理温度为40~105℃，超声处理功率为250w、超声处理频率为40khz，所述浓硝酸溶液中的硝酸质量与所述碳纤维质量的比值为40：1~60：1；
将超声处理后的所述碳纤维用蒸馏水清洗至中性，继续置于所述烘箱内进行烘干；
每隔预设时间段将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值未在第二预设合格数值范围内，则将所述碳纤维继续送入所述烘箱内进行烘干，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值在第二预设合格数值范围内，则将所述碳纤维送入含巯基化试剂和edc/nhs的pbs缓冲溶液中，在25~30℃的反应温度下震荡24h后进行过滤得到滤渣，用pbs溶液对所述滤渣清洗3次，再用去离子水对所述滤渣进行洗涤后，将所述滤渣置于60℃的真空干燥箱进行烘干，制备得到基于羧基化改性的表面巯基化碳纤维，其中，所述pbs缓冲溶液用0.5mol/l的hcl和0.5mol/l的naoh调节至ph=7.5，所述pbs缓冲溶液中巯基化试剂和edc的浓度为3~8mg/ml，edc与nhs的摩尔比为1：1。
在一个优选的实施例中，所述巯基化试剂为含有巯基基团的氨基酸中的至少一种。
在一个优选的实施例中，所述第一预设合格数值范围为0，所述第二预设合格数值范围为0。
在一个优选的实施例中，所述浓硝酸溶液的质量百分比浓度为70%。
在一个优选的实施例中，所述浓硝酸溶液在恒温条件下的超声处理时长为2h。
在一个优选的实施例中，所述浓硝酸溶液在恒温条件下的超声处理温度为100℃。
在一个优选的实施例中，所述浓硝酸溶液中的硝酸质量与所述碳纤维质量的比值为50：1。
在一个优选的实施例中，所述pbs缓冲溶液中巯基化试剂和edc的浓度为5mg/ml。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于羧基化改性的表面巯基化碳纤维制备方法具有以下优点：
本发明提供的基于羧基化改性的表面巯基化碳纤维制备方法，通过以碳纤维为基材，将碳纤维经浓硝酸处理得到富集羧基的碳纤维表面，再以edc/nhs为催化剂，在pbs缓冲溶液中与半胱胺酸等巯基化试剂反应得到巯基化碳纤维表面，通过先采用浓硝酸对碳纤维表面进行羧基化改性，产物再与巯基化试剂进一步反应得到巯基化碳纤维表面，利用巯基基团的配合能力来提高其对重金属的吸附性能，成功制备出相较碳纤维吸附能力更强的巯基化改性碳纤维，从而解决了碳纤维对污染物的吸附能力不足的技术问题，达到了增强碳纤维对污染物的吸附能力的技术效果，且表面巯基化改性碳纤维的制备过程简单，成本较低，便于产业化生产。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于羧基化改性的表面巯基化碳纤维制备方法的方法流程图。
具体实施方式
以下结合具体实施例（但不限于所举实施例)详细描述本发明，本实施例的具体方法仅供说明本发明，本发明的范围不受实施例的限制，本发明在应用中可以作各种形态与结构的修改与变动，这些基于本发明基础上的等价形式同样处于本发明申请权利要求保护范围。
实施例1
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于羧基化改性的表面巯基化碳纤维制备方法的方法流程图，如图1所示，该方法包括：
步骤101，将碳纤维置于体积比1：1的乙醇／丙酮溶液中回流48h后，取出浸泡后的所述碳纤维并置于80℃的烘箱内进行烘干。
该步骤用于脱除碳纤维表面的上浆剂。
步骤102，每隔预设时间段将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值未在第一预设合格数值范围内，则将所述碳纤维继续送入所述烘箱内进行烘干，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值在第一预设合格数值范围内，则将所述碳纤维送入装有回流管的通风橱中。
步骤103，在所述通风橱中，将所述碳纤维用质量百分比浓度为40%~80%的浓硝酸溶液在恒温条件下超声处理1~3h，其中，超声处理温度为40~105℃，超声处理功率为250w、超声处理频率为40khz，所述浓硝酸溶液中的硝酸质量与所述碳纤维质量的比值为40：1~60：1。
步骤104，将超声处理后的所述碳纤维用蒸馏水清洗至中性，继续置于所述烘箱内进行烘干。
步骤105，每隔预设时间段将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值未在第二预设合格数值范围内，则将所述碳纤维继续送入所述烘箱内进行烘干，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值在第二预设合格数值范围内，则将所述碳纤维送入含巯基化试剂和edc/nhs的pbs缓冲溶液中，在25~30℃的反应温度下震荡24h后进行过滤得到滤渣，用pbs溶液对所述滤渣清洗3次，再用去离子水对所述滤渣进行洗涤后，将所述滤渣置于60℃的真空干燥箱进行烘干，制备得到基于羧基化改性的表面巯基化碳纤维。
其中，所述pbs缓冲溶液用0.5mol/l的hcl和0.5mol/l的naoh调节至ph=7.5，所述pbs缓冲溶液中巯基化试剂和edc的浓度为3~8mg/ml，edc与nhs的摩尔比为1：1。
edc/nhs作为催化剂，全称为1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐（edc）/ｎ-羟基琥珀酰亚胺（nhs）。
在一个优选的实施例中，所述巯基化试剂为含有巯基基团的氨基酸中的至少一种。
比如，该巯基化试剂为半胱胺酸。
在一个优选的实施例中，所述第一预设合格数值范围为0，所述第二预设合格数值范围为0。
在一个优选的实施例中，所述浓硝酸溶液的质量百分比浓度为70%。
在一个优选的实施例中，所述浓硝酸溶液在恒温条件下的超声处理时长为2h。
在一个优选的实施例中，所述浓硝酸溶液在恒温条件下的超声处理温度为100℃。
在一个优选的实施例中，所述浓硝酸溶液中的硝酸质量与所述碳纤维质量的比值为50：1。
在一个优选的实施例中，所述pbs缓冲溶液中巯基化试剂和edc的浓度为5mg/ml。
综上所述，本发明提供的基于羧基化改性的表面巯基化碳纤维制备方法，通过以碳纤维为基材，将碳纤维经浓硝酸处理得到富集羧基的碳纤维表面，再以edc/nhs为催化剂，在pbs缓冲溶液中与半胱胺酸等巯基化试剂反应得到巯基化碳纤维表面，通过先采用浓硝酸对碳纤维表面进行羧基化改性，产物再与巯基化试剂进一步反应得到巯基化碳纤维表面，利用巯基基团的配合能力来提高其对重金属的吸附性能，成功制备出相较碳纤维吸附能力更强的巯基化改性碳纤维，从而解决了碳纤维对污染物的吸附能力不足的技术问题，达到了增强碳纤维对污染物的吸附能力的技术效果，且表面巯基化改性碳纤维的制备过程简单，成本较低，便于产业化生产。
实施例2
（1）将碳纤维置于体积比1：1的乙醇／丙酮溶液中回流48h后，取出浸泡后的所述碳纤维并置于80℃的烘箱内进行烘干。
（2）每隔1h将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值不为0，则将所述碳纤维继续送入所述烘箱内进行烘干，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值为0，则将所述碳纤维送入装有回流管的通风橱中。
比如，对碳纤维从所述烘箱取出进行的称重次数为2次，其中，首次将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重的称重重量为100kg，第二次将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重的称重重量为90kg，则100kg为前次称重重量，90kg为当前称重重量，计算得到的差值为10kg不为0，则将所述碳纤维继续送入所述烘箱内进行烘干；1h后将所述碳纤维从烘箱取出进行第三次称重得到的称重重量为90kg，此时，该第三次称重得到的称重重量90kg为当前称重重量，第二次称重得到的称重重量90kg为前次称重重量，计算得到的差值为0，则将所述碳纤维送入装有回流管的通风橱中。
（3）在所述通风橱中，将所述碳纤维用质量百分比浓度为70%的浓硝酸溶液在恒温条件下超声处理2h，其中，超声处理温度为100℃，超声处理功率为250w、超声处理频率为40khz，所述浓硝酸溶液中的硝酸质量与所述碳纤维质量的比值为50：1。
（4）将超声处理后的所述碳纤维用蒸馏水清洗至中性，继续置于所述烘箱内进行烘干。
（5）每隔1h将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值不为0，则将所述碳纤维继续送入所述烘箱内进行烘干，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值为0，则将所述碳纤维送入含半胱氨酸和edc/nhs的pbs缓冲溶液中，在25℃的反应温度下震荡24h后进行过滤得到滤渣，用pbs溶液对所述滤渣清洗3次，再用去离子水对所述滤渣进行洗涤后，将所述滤渣置于60℃的真空干燥箱进行烘干，制备得到基于羧基化改性的表面巯基化碳纤维，其中，所述pbs缓冲溶液用0.5mol/l的hcl和0.5mol/l的naoh调节至ph=7.5，所述pbs缓冲溶液中半胱氨酸和edc的浓度为5mg/ml，edc与nhs的摩尔比为1：1。
比如，对碳纤维从所述烘箱取出进行的称重次数为2次，其中，首次将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重的称重重量为100kg，第二次将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重的称重重量为90kg，则100kg为前次称重重量，90kg为当前称重重量，计算得到的差值为10kg不为0，则将所述碳纤维继续送入所述烘箱内进行烘干；1h后将所述碳纤维从烘箱取出进行第三次称重得到的称重重量为90kg，此时，该第三次称重得到的称重重量90kg为当前称重重量，第二次称重得到的称重重量90kg为前次称重重量，计算得到的差值为0，则将所述碳纤维送入含半胱氨酸和edc/nhs的pbs缓冲溶液中。
实施例3
（1）将碳纤维置于体积比1：1的乙醇／丙酮溶液中回流48h后，取出浸泡后的所述碳纤维并置于80℃的烘箱内进行烘干。
（2）每隔1h将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值不为0，则将所述碳纤维继续送入所述烘箱内进行烘干，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值为0，则将所述碳纤维送入装有回流管的通风橱中。
比如，对碳纤维从所述烘箱取出进行的称重次数为2次，其中，首次将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重的称重重量为100kg，第二次将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重的称重重量为90kg，则100kg为前次称重重量，90kg为当前称重重量，计算得到的差值为10kg不为0，则将所述碳纤维继续送入所述烘箱内进行烘干；1h后将所述碳纤维从烘箱取出进行第三次称重得到的称重重量为90kg，此时，该第三次称重得到的称重重量90kg为当前称重重量，第二次称重得到的称重重量90kg为前次称重重量，计算得到的差值为0，则将所述碳纤维送入装有回流管的通风橱中。
（3）在所述通风橱中，将所述碳纤维用质量百分比浓度为40%的浓硝酸溶液在恒温条件下超声处理1h，其中，超声处理温度为40℃，超声处理功率为250w、超声处理频率为40khz，所述浓硝酸溶液中的硝酸质量与所述碳纤维质量的比值为40：1。
（4）将超声处理后的所述碳纤维用蒸馏水清洗至中性，继续置于所述烘箱内进行烘干。
（5）每隔1h将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值不为0，则将所述碳纤维继续送入所述烘箱内进行烘干，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值为0，则将所述碳纤维送入含半胱氨酸和edc/nhs的pbs缓冲溶液中，在28℃的反应温度下震荡24h后进行过滤得到滤渣，用pbs溶液对所述滤渣清洗3次，再用去离子水对所述滤渣进行洗涤后，将所述滤渣置于60℃的真空干燥箱进行烘干，制备得到基于羧基化改性的表面巯基化碳纤维，其中，所述pbs缓冲溶液用0.5mol/l的hcl和0.5mol/l的naoh调节至ph=7.5，所述pbs缓冲溶液中半胱氨酸和edc的浓度为3mg/ml，edc与nhs的摩尔比为1：1。
比如，对碳纤维从所述烘箱取出进行的称重次数为2次，其中，首次将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重的称重重量为100kg，第二次将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重的称重重量为90kg，则100kg为前次称重重量，90kg为当前称重重量，计算得到的差值为10kg不为0，则将所述碳纤维继续送入所述烘箱内进行烘干；1h后将所述碳纤维从烘箱取出进行第三次称重得到的称重重量为90kg，此时，该第三次称重得到的称重重量90kg为当前称重重量，第二次称重得到的称重重量90kg为前次称重重量，计算得到的差值为0，则将所述碳纤维送入含半胱氨酸和edc/nhs的pbs缓冲溶液中。
实施例4
（1）将碳纤维置于体积比1：1的乙醇／丙酮溶液中回流48h后，取出浸泡后的所述碳纤维并置于80℃的烘箱内进行烘干。
（2）每隔1h将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值不为0，则将所述碳纤维继续送入所述烘箱内进行烘干，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值为0，则将所述碳纤维送入装有回流管的通风橱中。
比如，对碳纤维从所述烘箱取出进行的称重次数为2次，其中，首次将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重的称重重量为100kg，第二次将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重的称重重量为90kg，则100kg为前次称重重量，90kg为当前称重重量，计算得到的差值为10kg不为0，则将所述碳纤维继续送入所述烘箱内进行烘干；1h后将所述碳纤维从烘箱取出进行第三次称重得到的称重重量为90kg，此时，该第三次称重得到的称重重量90kg为当前称重重量，第二次称重得到的称重重量90kg为前次称重重量，计算得到的差值为0，则将所述碳纤维送入装有回流管的通风橱中。
（3）在所述通风橱中，将所述碳纤维用质量百分比浓度为80%的浓硝酸溶液在恒温条件下超声处理3h，其中，超声处理温度为105℃，超声处理功率为250w、超声处理频率为40khz，所述浓硝酸溶液中的硝酸质量与所述碳纤维质量的比值为60：1。
（4）将超声处理后的所述碳纤维用蒸馏水清洗至中性，继续置于所述烘箱内进行烘干。
（5）每隔1h将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值不为0，则将所述碳纤维继续送入所述烘箱内进行烘干，若所述碳纤维的前次称重重量与当前称重重量的差值为0，则将所述碳纤维送入含半胱氨酸和edc/nhs的pbs缓冲溶液中，在28℃的反应温度下震荡24h后进行过滤得到滤渣，用pbs溶液对所述滤渣清洗3次，再用去离子水对所述滤渣进行洗涤后，将所述滤渣置于60℃的真空干燥箱进行烘干，制备得到基于羧基化改性的表面巯基化碳纤维，其中，所述pbs缓冲溶液用0.5mol/l的hcl和0.5mol/l的naoh调节至ph=7.5，所述pbs缓冲溶液中半胱氨酸和edc的浓度为8mg/ml，edc与nhs的摩尔比为1：1。
比如，对碳纤维从所述烘箱取出进行的称重次数为2次，其中，首次将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重的称重重量为100kg，第二次将所述碳纤维从所述烘箱取出进行称重的称重重量为90kg，则100kg为前次称重重量，90kg为当前称重重量，计算得到的差值为10kg不为0，则将所述碳纤维继续送入所述烘箱内进行烘干；1h后将所述碳纤维从烘箱取出进行第三次称重得到的称重重量为90kg，此时，该第三次称重得到的称重重量90kg为当前称重重量，第二次称重得到的称重重量90kg为前次称重重量，计算得到的差值为0，则将所述碳纤维送入含半胱氨酸和edc/nhs的pbs缓冲溶液中。
效果测试
1.测试标准
1）对上述实施例2-4进行性能测试，测试项目为对pb、cd、cr、cu这些重金属离子的吸附效果，具体测试方法如下：
将各个实施例制备得到的表面巯基化碳纤维与现有碳纤维分别置于相同水体环境中12小时后取出，测试计算各实施例对pb、cd、cr、cu这些重金属离子的吸附效果。
测试结果分析
表1为上述实施例2-4制备的表面巯基化碳纤维以及对比例对pb、cd、cr、cu的重金属离子吸附效果的测试结果。
表1表面巯基化碳纤维的性能测试结果
从表1可以看出，实施例2-4所制备的表面巯基化碳纤维在对pb、cd、cr、cu这些重金属离子的吸附效果均优于对比例，其中，实施例2所制备得到的表面巯基化碳纤维对pb、cd、cr、cu等重金属离子的吸附效果相较其他实施例更佳。从实验结果可见，本发明实施例提供的基于羧基化改性的表面巯基化碳纤维制备方法采用浓硝酸对碳纤维进行了巯基化表面改性，利用巯基化试剂含有的氨基与碳纤维表面的羧基发生酰胺化反应，从而引入巯基，利用巯基基团的配合能力来提高碳纤维对重金属的吸附性能。
本发明提供的一种基于羧基化改性的表面巯基化碳纤维制备方法，利用半胱氨酸等巯基化试剂含有的氨基与碳纤维表面的羧基发生酰胺化反应，从而引入巯基，制备得到吸附能力极强的表面巯基化碳纤维。
虽然，前文已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明做了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之进行修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。