一种木质素磺酸钠/聚苯乙烯基活性炭微球的制备方法与流程

本发明涉及一种木质素磺酸钠/聚苯乙烯基活性炭微球的制备方法，属于活性炭技术领域。

背景技术：

活性炭具有发达的孔隙结构、高的比表面积、良好的机械强度和化学稳定性，表面含有羧基、羟基、羰基等功能性官能团，是一种重要的工业吸附剂，广泛应用于空气净化、水净化、催化剂载体、电极材料等。目前，活性炭的原料主要来自于化石能源(煤、沥青)和生物质(果壳、木屑、竹子)，随着化石能源的日益短缺，以及森林、竹材资源保护意识的加强，使得活性炭原材料的来源日趋紧张，因此研究开发绿色可持续的活性炭新原材料具有重要意义。

木质素是仅次于纤维素的第二大可再生生物质资源，但是全球木质素的利用率不足为10％，大都被直接燃烧或排放掉，造成资源浪费的同时还对环境带来一定污染。利用工业废弃物粉状木质素磺酸钠为原料制备活性炭前驱体，然后进行炭化活化制备活性炭微球，以实现木质素资源的转化利用，减少木质素的直接燃烧或排放造成的环境污染，在资源合理利用和环保方面具有重大战略意义。

目前木质素制备高品质活性炭主要采用化学活化，化学试剂的使用会造成严重的环境污染，而且制备的活性炭也都是粉末状的，还要利用粘结剂对活性炭进行粘结成型，操作过程复杂繁琐，重复操作步骤较多，生产成本高，产品性能较差。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种木质素磺酸钠/聚苯乙烯基活性炭微球的制备方法，直接使用粉状木质素磺酸钠与聚苯乙烯接枝聚合形成微球状活性炭前驱体，然后利用一步炭活化法制备高品质活性炭，采用水蒸气活化，以避免容易造成环境污染的粘结剂和化学活化剂的使用，且简化操作步骤。

本发明提出的木质素磺酸钠/聚苯乙烯基活性炭微球的制备方法，包括以下步骤：

(1)将重量份为5份的聚苯乙烯加入到10～25重量份的四氢呋喃溶液中，溶胀1～6小时；然后加入5～25重量份的1,3丙二胺进行反应，反应温度为40～60℃，反应时间为12～48小时；反应完成后冷却至室温，用50重量份去离子水洗涤5次，过滤烘干，烘干温度为60～120℃，烘干时间为6～12小时，烘干后得到胺化聚苯乙烯；

(2)将步骤(1)得到的胺化聚苯乙烯5重量份加入到10～25重量份的四氢呋喃溶液中，溶胀1～6小时后，加入10～30重量份、浓度为10％的甲醛溶液反应，反应时间为10～60分钟，然后加入5～20重量份浓度为30％的木质素磺酸钠溶液反应，反应温度为60～90℃，反应时间为3～12小时，同时用稀盐酸调节反应的ph值为2～6；反应完成后冷却至室温，用去离子水洗涤至中性，过滤烘干，烘干温度为60～120℃，烘干时间为6～12小时，烘干得到微球状活性炭前驱体；

(3)将步骤(2)得到的微球状活性炭前驱体在氮气气氛中进行炭化，炭化温度为350～450℃，升温速率为5～15℃/分钟，炭化时间为1～6小时；炭化结束后从炭化温度升温至活化温度，活化温度为750～900℃，升温速率为5～15℃/分钟，达到活化温度后关闭氮气，通入水蒸气进行活化，活化时间为1～6小时；活化结束后在氮气气氛中冷却至室温，得到木质素磺酸钠/聚苯乙烯基活性炭微球。

本发明提出的木质素磺酸钠/聚苯乙烯基活性炭微球的制备方法，其优点是：

1、本发明提出的木质素磺酸钠/聚苯乙烯基活性炭微球制备方法，以粉状木质素磺酸钠为原料制备活性炭前驱体，然后进行炭活化制备活性炭微球，制备方法所用原材料价格便宜，与现有技术相比省略了粉状原料或粉状炭使用粘结剂成型的工艺步骤，避免了容易造成环境污染的粘结剂的使用，有利于保护环境。

2、本发明制备方法使用一步炭活化法，因此制备步骤简单，可操作性强，温度调控方便，使用水蒸气活化避免了化学活化中活化剂使用造成的环境污染，有利于环境保护，适用于本发明产品的大规模工业生产。

附图说明

图1是本发明方法的实施例制备的木质素磺酸钠/聚苯乙烯基活性炭微球的照片。

具体实施方式

本发明提出的木质素磺酸钠/聚苯乙烯基活性炭微球的制备方法，包括以下步骤：

(1)将重量份为5份的聚苯乙烯加入到10～25重量份的四氢呋喃溶液中，溶胀1～6小时；然后加入5～25重量份的1,3丙二胺进行反应，反应温度为40～60℃，反应时间为12～48小时；反应完成后冷却至室温，用50重量份去离子水洗涤5次，过滤烘干，烘干温度为60～120℃，烘干时间为6～12小时，烘干后得到胺化聚苯乙烯；

(2)将步骤(1)得到的胺化聚苯乙烯5重量份加入到10～25重量份的四氢呋喃溶液中，溶胀1～6小时后，加入10～30重量份、浓度为10％的甲醛溶液反应，反应时间为10～60分钟，然后加入5～20重量份浓度为30％的木质素磺酸钠溶液反应，反应温度为60～90℃，反应时间为3～12小时，同时用稀盐酸调节反应的ph值为2～6；反应完成后冷却至室温，用去离子水洗涤至中性，过滤烘干，烘干温度为60～120℃，烘干时间为6～12小时，烘干得到微球状活性炭前驱体；

(3)将步骤(2)得到的活性炭前驱体在氮气气氛中进行炭化，炭化温度为350～450℃，升温速率为5～15℃/分钟，炭化时间为1～6小时；炭化结束后从炭化温度升温至活化温度，活化温度为750～900℃，升温速率为5～15℃/分钟，达到活化温度后关闭氮气，通入水蒸气进行活化，活化时间为1～6小时；活化结束后在氮气气氛中冷却至室温，得到木质素磺酸钠/聚苯乙烯基活性炭微球。

本发明方法中使用的木质素磺酸钠，可以从传统的亚硫酸盐法制浆和其他改性的亚硫酸盐法制浆工艺中产生的造纸废水中浓缩提取而得，因此所用原料价格低廉，因此而降低产品的生产成本。

本发明方法中使用的聚苯乙烯是氯甲基聚苯乙烯，是在无水氯化锌作用下聚苯乙烯与甲醛和氯化氢作用生成的。

以下详细介绍本发明方法的实施例，本领域技术人员应当知晓，实施例仅用于说明本发明，不用于限制本发明的范围。

以下实施例中，如无特别说明，所用技术手段为本领域常规的技术手段，加入的各种原料除特殊说明外，均为市售常规原料。

实施例1：

(1)将原料重量份5份的聚苯乙烯加入到10份四氢呋喃溶液中，溶胀1小时后加入5份1,3丙二胺进行反应，在40℃下反应48小时，反应完成后冷却至室温，用50份去离子水洗涤5次，过滤，60℃下烘干12小时，得到胺化聚苯乙烯；

(2)将步骤(1)中得到的胺化聚苯乙烯重量份为5份加入到10份四氢呋喃溶液中，溶胀1小时后加入浓度为10％的甲醛溶液10份反应，10分钟然后加入浓度为30％木质素磺酸钠溶液5份，用稀盐酸调节反应ph值至2，在60℃下反应12小时，反应完成后冷却至室温，用去离子水洗涤至中性，过滤，60℃下烘干12小时，得到微球状活性炭前驱体；

(3)将步骤(2)中得到的活性炭前驱体在氮气气氛中进行炭化，以5℃/分钟的升温速率由室温升温至炭化温度350℃并保持6小时，炭化结束后继续以5℃/分钟的升温速率升温至活化温度750℃，达到活化温度后关闭氮气同时通入水蒸气进行活化，活化时间为6小时，活化结束后关闭水蒸气并在氮气气氛中冷却至室温，得到木质素磺酸钠/聚苯乙烯基活性炭微球。

本实施例制备的木质素磺酸钠/聚苯乙烯基活性炭微球，其照片如图1所示，从照片中可以看出，本发明方法制备的木质素磺酸钠/聚苯乙烯基活性炭呈微球状。

实施例2：

(1)将原料重量份5份的聚苯乙烯加入到25份四氢呋喃溶液中，溶胀6小时后加入25份1,3丙二胺进行反应，在60℃下反应12小时，反应完成后冷却至室温，用50份去离子水洗涤5次，过滤，120℃下烘干6小时，得到胺化聚苯乙烯；

(2)将步骤(1)中得到的胺化聚苯乙烯重量份为5份加入到25份四氢呋喃溶液中，溶胀6小时后加入浓度为10％的甲醛溶液30份反应，60分钟然后加入浓度为30％木质素磺酸钠溶液20份，用稀盐酸调节反应ph值至6，在90℃下反应3小时，反应完成后冷却至室温，用去离子水洗涤至中性，过滤，120℃下烘干6小时，得到微球状活性炭前驱体；

(3)将步骤(2)中得到的活性炭前驱体在氮气气氛中进行炭化，以15℃/分钟的升温速率由室温升温至炭化温度450℃并保持1小时，炭化结束后继续以15℃/分钟的升温速率升温至活化温度900℃，达到活化温度后关闭氮气同时通入水蒸气进行活化，活化时间为1小时，活化结束后关闭水蒸气并在氮气气氛中冷却至室温，得到木质素磺酸钠/聚苯乙烯基活性炭微球。

实施例3：

(1)将原料重量份5份的聚苯乙烯加入到15份四氢呋喃溶液中，溶胀2小时后加入20份1,3丙二胺进行反应，在50℃下反应24小时，反应完成后冷却至室温，用50份去离子水洗涤5次，过滤，80℃下烘干12小时，得到胺化聚苯乙烯；

(2)将步骤(1)中得到的胺化聚苯乙烯重量份为5份加入到15份四氢呋喃溶液中，溶胀2小时后加入浓度为10％的甲醛溶液20份反应，30分钟然后加入浓度为30％木质素磺酸钠溶液15份，用稀盐酸调节反应ph值至3，在80℃下反应9小时，反应完成后冷却至室温，用去离子水洗涤至中性，过滤，80℃下烘干12小时，得到微球状活性炭前驱体；

(3)将步骤(2)中得到的活性炭前驱体在氮气气氛中进行炭化，以10℃/分钟的升温速率由室温升温至炭化温度400℃并保持2小时，炭化结束后继续以10℃/分钟的升温速率升温至活化温度850℃，达到活化温度后关闭氮气同时通入水蒸气进行活化，活化时间为2小时，活化结束后关闭水蒸气并在氮气气氛中冷却至室温，得到木质素磺酸钠/聚苯乙烯基活性炭微球。