一种原位氧化合成多孔金属氧化物改性生物质炭及其孔结构调控的方法

本发明属于功能材料领域，特别涉及一种原位氧化合成多孔金属氧化物改性生物质炭及其孔结构调控的方法。

背景技术：

随着世界人口不断增加，粮食增产而使用大量肥料所产生的环境水体污染日益严峻，给生态环境带来了巨大影响。因此，有效去除水中污染物对于全世界人民粮食安全至关重要。目前，现有水体有机物、磷、重金属等物质处理方法包括，沉淀，吸附，膜分离等技术，其中，吸附法、催化等方法具有易分离，成本低等优势被广泛地应用。材料吸附、催化等性能与材料比表面积、反应活性息息相关。

生物质炭(bc)可以金属氧化物改性作用下形成具有较高磷、氮、重金属、二氧化碳等吸附性能以及良好催化性能的金属氧化物改性生物质炭复合材料，使用生物质构筑复合材料具有工艺简单、廉价、可再生易得以及吸附性能好等优点。但复合材料存在孔结构不足、孔径大小分布不合理限制了其性能。本专利基于复合金属盐氧化技术原位构筑多孔金属氧化物改性生物质材料，引入梯度氧化性金属盐控制原位氧化速度进而调控金属氧化物改性生物质炭孔径，建立以宏观可操作的温度、原料量、金属盐比例等参数为“档位”驱动原位氧化调控孔径分布的方法。该技术工艺简单，适合于工业化生产。

技术实现要素：

一种原位氧化合成多孔金属氧化物改性生物质炭及其孔结构调控的方法，其特征在于：所述的多孔金属氧化物改性生物质炭具有丰富的孔结构，且孔结构可调控，其制备方法如下：

（1）饱和金属盐溶液制备：金属盐加入至水中溶解，制备得到饱和金属盐溶液；

（2）浸渍：向饱和金属盐溶液中加入生物质，在室温条件下震荡3～24小时，金属盐充分浸渍到生物质内部，混合物直接在50～120℃内烘干箱内干燥除去水分，得到混合金属盐改性生物质；

（3）热解：得到混合金属盐改性生物质放入400～1100℃高温炉中惰性气体氛围高温处理0.5～10小时，升温速度1-30℃/min，高孔隙率氧化金属改性生物质炭；

（4）所述的金属盐为金属硝酸盐、金属亚硫酸盐、金属硫酸盐、金属氯化盐、金属柠檬酸盐、金属草酸盐的任意一种或几种混合；

（5）所述的生物质为花生壳、稻壳、椰壳、秸秆、禽畜粪便、木材、海藻的任意一种或几种混合；

（6）所述的混合金属盐改性生物质中金属与生物质质量比为金属元素：生物质=3～25:100。

通过改变金属硝酸盐、金属亚硫酸盐、金属硫酸盐、金属氯化盐、金属柠檬酸盐、金属草酸盐比例、热解温度、热解速度实现多孔金属氧化物改性生物质孔径的调控。

本发明的有益效果

本发明研制的一种高孔隙率金属氧化物改性生物质炭的方法，有效的提升了金属氧化物改性生物质炭孔隙率及孔结构分布，可通过大孔、介孔、微孔的科学调控，提升材料的吸附、催化性能，同时基于材料的孔结构实现金属氧化物活性位点的粒径调控，促进相关领域发展。同时，该技术工艺简单，适合于工业化生产。

附图说明

图1为本发明实施例1中产品sem图；图2为本发明实施例2中产品sem图；图3为本发明实施例3中产品sem图；图4为本发明实施例4中产品sem图。

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐述本发明，本实施例不会对本发明构成限制。本发明中的技术方案列举的工艺参数的上下线取值、区间都能实现本发明要求的产品。

实施例1

（1）饱和铁盐溶液制备：将硝酸铁、硫酸铁（硝酸铁、硫酸铁摩尔比1:4）加入至水中溶解，制备得到饱和铁盐溶液；

（2）浸渍：向饱和铁盐溶液中加入花生壳，在室温条件下震荡3～24小时，铁盐充分浸渍到花生壳内部，混合物直接在70℃内烘干箱内干燥除去水分，得到混合铁盐改性花生壳；

（3）热解：得到混合铁盐改性花生壳放入700℃高温炉中惰性气体氛围高温处理1小时，升温速度5℃/min，得到孔径较为丰富的氧化铁改性生物质炭，形貌见图1。

实施例2

（1）饱和金属盐溶液制备：硝酸镁加入至水中溶解，制备得到饱和硝酸镁溶液；

（2）浸渍：向饱和硝酸镁溶液中加入花生壳，在室温条件下震荡24小时，硝酸镁充分浸渍到花生壳内部，混合物直接在80℃内烘干箱内干燥除去水分，得到硝酸镁改性花生壳；

（3）热解：得到硝酸镁改性花生壳放入800℃高温炉中惰性气体氛围高温处理1小时，升温速度15℃/min，得到孔径够丰富的高孔隙率氧化镁改性生物质炭，形貌见图2。

实施例3

（1）饱和镁盐溶液制备：将硝酸镁、氯化镁金属盐（硝酸镁、氯化镁摩尔比1:1）加入至水中溶解，制备得到饱和镁盐溶液；

（2）浸渍：向饱和镁盐溶液中加入花生壳，在室温条件下震荡24小时，镁盐充分浸渍到花生壳内部，混合物直接在70℃内烘干箱内干燥除去水分，得到混合镁盐改性花生壳；

（3）热解：得到混合镁盐改性花生壳放入800℃高温炉中惰性气体氛围高温处理1小时，升温速度10℃/min，得到孔径够丰富的高孔隙率氧化镁改性生物质炭，形貌见图3。

实施例4

（1）饱和镍盐溶液制备：将硝酸镍、氯化镍金属盐（硝酸镍、氯化镍摩尔比1:1）加入至水中溶解，制备得到饱和镍盐溶液；

（2）浸渍：向饱和镍盐溶液中加入花生壳，在室温条件下震荡24小时，镍盐充分浸渍到花生壳内部，混合物直接在70℃内烘干箱内干燥除去水分，得到混合镍盐改性花生壳；

（3）热解：得到混合镍盐改性花生壳放入800℃高温炉中惰性气体氛围高温处理1小时，升温速度10℃/min，得到孔径够丰富的高孔隙率氧化镍改性生物质炭，形貌见图4。

技术特征：

1.一种原位氧化合成多孔金属氧化物改性生物质炭及其孔结构调控的方法，其特征在于：所述的多孔金属氧化物改性生物质炭具有丰富的孔结构，且孔结构可调控，其制备方法如下：

（1）饱和金属盐溶液制备：金属盐加入至水中溶解，制备得到饱和金属盐溶液；

（2）浸渍：向饱和金属盐溶液中加入生物质，在室温条件下震荡3～24小时，金属盐充分浸渍到生物质内部，混合物直接在50～110℃内烘干箱内干燥除去水分，得到混合金属盐改性生物质；

（3）热解：得到混合金属盐改性生物质放入400～1000℃高温炉中惰性气体氛围高温处理0.5～8小时，升温速度1-30℃/min，高孔隙率氧化金属改性生物质炭。

2.根据权利要求1所述的一种原位氧化合成多孔金属氧化物改性生物质炭及其孔结构调控的方法，其特征在于：所述的金属盐为金属硝酸盐、金属亚硫酸盐、金属硫酸盐、金属氯化盐、金属柠檬酸盐、金属草酸盐的任意一种或几种混合。

3.根据权利要求1所述的一种原位氧化合成多孔金属氧化物改性生物质炭及其孔结构调控的方法，其特征在于：所述的生物质为花生壳、稻壳、椰壳、秸秆、禽畜粪便、木材、海藻的任意一种或几种混合。

4.根据权利要求1所述的一种原位氧化合成多孔金属氧化物改性生物质炭及其孔结构调控的方法，其特征在于：所述的浸渍过程中中金属与生物质质量比为金属元素：生物质=3～25:100，优选的为20:100。

5.根据权利要求1所述的一种原位氧化合成多孔金属氧化物改性生物质炭及其孔结构调控的方法，其特征在于：通过改变金属硝酸盐、金属亚硫酸盐、金属硫酸盐、金属氯化盐、金属柠檬酸盐、金属草酸盐比例、热解温度、热解速度实现氧化镁改性生物质炭孔径的调控。

技术总结
本发明公开了一种原位氧化合成多孔金属氧化物改性生物质炭及其孔结构调控的方法，属于材料领域。不同氧化性金属盐制备得到饱和溶液与生物质混合浸渍，利用梯度氧化性金属盐控制原位氧化速度进而调控金属氧化物改性生物质炭材料，通过宏观可操作的温度、加入量、不同金属盐比例等参数原位氧化调控孔径分布，可用于废水吸附，催化等材料。将金属氧化物改性多孔生物质炭转变为高性能平台，为金属氧化物改性生物质炭多孔材料功能化提供方法基础。该方法操作简单，适合于工业化生产。

技术研发人员：梁海;王婉婷;邓信忠;张瑞十;杨云洪;刘海燕;陈红;薛志爽;张林
受保护的技术使用者：营口理工学院
技术研发日：2021.05.27
技术公布日：2021.08.10