以废弃海藻渣为原料制备炭气凝胶的方法与流程

本发明涉及一种炭气凝胶的制备方法，尤其是一种以废弃海藻渣为原料制备炭气凝胶的方法。

背景技术：

炭气凝胶是一种具有三维网状结构的纳米级炭材料，比表面积大，空隙多、密度小和导电性好，因此在储能器件电极材料中表现尤为突出[bienerj,stadermannm,sussm,etal.advancedcarbonaerogelsforenergyapplications[j].energy&environmentalscience,2011,4(3):656-667.]。liu等[yangx,kongl,maj,etal.facileconstructionofhierarchicallyporouscarbonnanofiberaerogelforhigh-performancesupercapacitor[j].journalofappliedelectrochemistry,2019,49(3):241-250.]以多孔炭气凝胶作为超级电容器的电极材料，结果表明炭气凝胶具有优异的电化学性能，在20a/g电流密度下，比电容高达169f/g。j.c.farmer等[yingty,yangkl,yiacoumis,etal.electrosorptionofionsfromaqueoussolutionsbynanostructuredcarbonaerogel[j].journalofcolloidandinterfacescience,2002,250(1):18-27.]研究者应用炭气凝胶进行了电除盐实验,发现炭气凝胶在电除盐领域具有很多优于其他碳材料的良好性能。然而，炭气凝胶的原料为成本昂贵的化学药剂（间苯二酚、甲醛等）、碳纳米纤维、石墨烯和碳纳米管等，且制作过程常采用模板饭、抽滤法等，工艺繁琐。因此，这些问题极大的限制了炭气凝胶的工业化生产和应用。

海藻渣是海藻酸钠生产过程中，浸泡后的海带、巨藻等经过碱液消化，粗过滤得到的不溶性组分及胶液经稀释、发泡、漂浮后得到的悬浮性固体组分，是海藻工业中比例最大的固体杂质。按干物质计，海藻工业利用率仅达约30%，其中海藻渣占超过50%。[解秋菊，闫培生，池振明.真姬菇发酵海带废渣制备多糖的抗氧化活性[j]，食品工业科技.2011(2):115-117.]海藻渣目前多作为肥料使用，但利用率不高。大量富含有机质和营养盐的海藻渣被排放，不但浪费了大量的自然资源，且已成为水体富营养化和赤潮诱发的潜在因素，给海洋渔业经济和生态带来破坏和影响。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供一种以废弃海藻渣为原料制备炭气凝胶的方法。

本发明的技术技术解决方案是：一种以废弃海藻渣为原料制备炭气凝胶的方法，其特征在于依次按照如下步骤进行：

a.将废弃海藻渣依次用去离子水、无水乙醇洗涤后，去除杂质，置于真空恒温干燥箱中干燥，之后粉碎、过筛，得到海藻渣颗粒，加入过量次氯酸钠，60℃搅拌4~6小时，冷却至室温，过滤去除上清液，向沉淀中加入0.5mol/l的氢氧化钠溶液，充分搅拌后离心取沉淀物，再加入1mol/l的稀盐酸中煮沸5分钟，用去离子水反复洗涤至中性，离心后置于干燥箱中干燥，得到海藻纤维素；

b.将海藻纤维素置于尿素/氢氧化钠混合水溶液中，海藻纤维素的质量浓度为3~8%，室温下超声分散30~60分钟，所述尿素与氢氧化钠的质量比为1.5~2：1，尿素/氢氧化钠混合水溶液的质量浓度为20~30％；再放置在-20℃的冰箱中冷冻2~4小时，待自然解冻后搅拌30~60分钟，即获得透明粘稠的溶液，然后将透明粘稠的溶液再次置于-20℃的冰箱中冷冻6~12小时后浸入去离子水中，室温下静置12~24小时，得到纤维素水凝胶；

c.将得到的纤维素水凝胶先置于-20℃冰箱中冷冻2~4小时，再置于压力为20pa，温度为-50℃的真空冷冻干燥机中干燥12~16小时，得到纤维素气凝胶；

d.将得到的纤维素气凝胶在惰性气体保护下高温炭化后得到炭气凝胶，所述高温炭化升温速率为2~5℃/min，炭化温度600~1000℃，炭化时间1~3小时。

本发明以废弃海藻渣为原料制备炭气凝胶，炭气凝胶中无对生物体有害或对环境造成污染的物质，既解决了现有炭气凝胶原料成本高及应用范围受限的问题，又解决了废弃海藻渣的高附加值开发和利用问题。本发明操作简单、制备周期短、材料结构可控、生产过程环保安全，适合大批量工业生产。

附图说明

图1为本发明实施例1炭气凝胶的数码照片。

图2为本发明实施例1炭气凝胶的扫描电子显微镜（sem）图。

具体实施方式

实施例1：

依次按照如下步骤进行：

a.将废弃海藻渣用去离子水清洗去除泥沙后，置于过量无水乙醇中浸泡24小时，将上层浮渣除去后过滤，置于真空恒温干燥箱中100℃干燥20小时，之后粉碎、过筛，得到海藻渣颗粒，加入过量次氯酸钠，60℃搅拌5小时，冷却至室温，过滤去除上清液，向沉淀中加入0.5mol/l的氢氧化钠溶液，充分搅拌后离心取沉淀物，再加入1mol/l的稀盐酸中煮沸5分钟，用去离子水反复洗涤至中性，离心后置于干燥箱中干燥，得到海藻纤维素；

b.将海藻纤维素置于尿素/氢氧化钠混合水溶液中，海藻纤维素的质量浓度为5%，室温下超声分散45分钟，所述尿素与氢氧化钠的质量比为1.8：1，尿素/氢氧化钠混合水溶液的质量浓度为25％；再放置在-20℃的冰箱中冷冻3小时，待自然解冻后搅拌50分钟，即获得透明粘稠的溶液，然后将透明粘稠的溶液再次置于-20℃的冰箱中冷冻9小时后浸入去离子水中，室温下静置18小时，得到纤维素水凝胶；

c.将得到的纤维素水凝胶先置于-20℃冰箱中冷冻3小时，再置于压力为20pa，温度为-50℃的真空冷冻干燥机中干燥14小时，得到纤维素气凝胶；

d.将得到的纤维素气凝胶在惰性气体保护下高温炭化后得到炭气凝胶，所述高温炭化升温速率为4℃/min，炭化温度600℃，炭化时间2小时。

所得炭气凝胶的数码照片如图1所示，扫描电子显微镜（sem）图如图2所示，所得炭气凝胶具有相互贯通的多孔结构，孔隙率为89%，密度为0.19g/cm³。

实施例2：

依次按照如下步骤进行：

a.将废弃海藻渣用去离子水清洗去除泥沙后，置于过量无水乙醇中浸泡24小时，将上层浮渣除去后过滤，置于真空恒温干燥箱中100℃干燥12小时，之后粉碎、过筛，得到海藻渣颗粒，加入过量次氯酸钠，60℃搅拌5小时，冷却至室温，过滤去除上清液，向沉淀中加入0.5mol/l的氢氧化钠溶液，充分搅拌后离心取沉淀物，再加入1mol/l的稀盐酸中煮沸5分钟，用去离子水反复洗涤至中性，离心后置于干燥箱中干燥，得到海藻纤维素；

b.将海藻纤维素置于尿素/氢氧化钠混合水溶液中，海藻纤维素的质量浓度为3%，室温下超声分散30分钟，所述尿素与氢氧化钠的质量比为1.5：1，尿素/氢氧化钠混合水溶液的质量浓度为20％；再放置在-20℃的冰箱中冷冻2小时，待自然解冻后搅拌30分钟，即获得透明粘稠的溶液，然后将透明粘稠的溶液再次置于-20℃的冰箱中冷冻6小时后浸入去离子水中，室温下静置12小时，得到纤维素水凝胶；

c.将得到的纤维素水凝胶先置于-20℃冰箱中冷冻2小时，再置于压力为20pa，温度为-50℃的真空冷冻干燥机中干燥12小时，得到纤维素气凝胶；

d.将得到的纤维素气凝胶在惰性气体保护下高温炭化后得到炭气凝胶，所述高温炭化升温速率为2℃/min，炭化温度600℃，炭化时间3小时。

所得炭气凝胶具有相互贯通的多孔结构，孔隙率为80%，密度为0.32g/cm³。

实施例3：

依次按照如下步骤进行：

a.将废弃海藻渣用去离子水清洗去除泥沙后，置于过量无水乙醇中浸泡24小时，将上层浮渣除去后过滤，置于真空恒温干燥箱中100℃干燥24小时，之后粉碎、过筛，得到海藻渣颗粒，加入过量次氯酸钠，60℃搅拌5小时，冷却至室温，过滤去除上清液，向沉淀中加入0.5mol/l的氢氧化钠溶液，充分搅拌后离心取沉淀物，再加入1mol/l的稀盐酸中煮沸5分钟，用去离子水反复洗涤至中性，离心后置于干燥箱中干燥，得到海藻纤维素；

b.将海藻纤维素置于尿素/氢氧化钠混合水溶液中，海藻纤维素的质量浓度为8%，室温下超声分散60分钟，所述尿素与氢氧化钠的质量比为2：1，尿素/氢氧化钠混合水溶液的质量浓度为30％；再放置在-20℃的冰箱中冷冻4小时，待自然解冻后搅拌60分钟，即获得透明粘稠的溶液，然后将透明粘稠的溶液再次置于-20℃的冰箱中冷冻12小时后浸入去离子水中，室温下静置24小时，得到纤维素水凝胶；

c.将得到的纤维素水凝胶先置于-20℃冰箱中冷冻4小时，再置于压力为20pa，温度为-50℃的真空冷冻干燥机中干燥16小时，得到纤维素气凝胶；

d.将得到的纤维素气凝胶在惰性气体保护下高温炭化后得到炭气凝胶，所述高温炭化升温速率为5℃/min，炭化温度1000℃，炭化时间1小时。

所得炭气凝胶具有相互贯通的多孔结构，孔隙率为83%，密度为0.26g/cm³。