一种基于棉花的多孔碳的制备方法及其应用与流程

本发明涉及多孔碳的制备。

背景技术：

近年来，抗生素已经被应用于人类医药、农业和畜牧业等方面，而抗生素所带来的威胁也得到了大家的关注。有研究表明，这些被应用的抗生素中仍有70％通过尿液和粪便的形式进入水体或者环境中，且在地表水、地下水、土壤、底泥和污水处理厂中经常会检测到抗生素，这也证明了抗生素在环境中的持久性和难降解性。抗生素的使用会导致病原微生物产生耐药性，使得抗生素能杀死细菌的有效剂量不断增加。并且，耐药基因可以在环境中扩展和演化，对生态环境及人类健康造成潜在威胁。已有大量的研究进行了对水中抗生素的去除，技术有吸附、膜过滤、离子交换、高级氧化以及混凝等，其中吸附技术被认为是一种不会产生二次污染的绿色技术。多孔碳材料具有丰富的孔道结构，较大的比表面积和良好的热稳定性和化学稳定性等优点被广泛应用于吸附分离、催化剂载体、电容器电容等方面。然而，由于化石能源的短缺，碳材料的发展和应用在近年来受到限制。生物资源作为可再生资源，可作为化石资源的替代品来缓解化石资源枯竭带来的困境。

而现有方法制备的基于棉花的多孔碳存在比表面积低(0.37cm²/g～115cm²/g)、对污染物的吸附能力低(未经改性的多孔碳对磺胺甲恶唑几乎无吸附能力)。

技术实现要素：

本发明要解决现有现有方法制备的基于棉花的多孔碳存在比表面积低、对污染物的吸附能力低问题，而提供一种基于棉花的多孔碳的制备方法及其应用。

一种基于棉花的多孔碳的制备方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：

一、在通风处，将废弃的棉花浸泡于丙酮中，得到浸泡过的棉花；

二、将浸泡过的棉花用去离子水冲洗，然后在烘箱中干燥，得到烘干的棉花；

三、将烘干的棉花置于氧化铝坩埚中，然后在管式炉内进行烧制，在烧制过程中，管式炉内持续通入惰性气体氮气，氮气流量为50ml/min～150ml/min，然后在升温速度为2℃/min～5℃/min的条件下，将烧制温度升温至500℃～800℃，并在烧制温度为500℃～800℃的条件下，烧制0.5h～5h，得到烧制后的样品；

四、待烧制后的样品自然冷却至室温，最后研磨成粉末，得到多孔碳粉末；

五、将活化剂与多孔碳粉末混合，并在研钵中研磨至充分混合，得到混合样品；

所述的活化剂与多孔碳粉末的质量比为(1～5):1；

六、将混合样品置于加盖的氧化铝坩埚中，然后在管式炉内加热活化，在活化过程中，管式炉内持续通入惰性气体氮气，氮气流量为50ml/min～150ml/min，然后在升温速度为2℃/min～5℃/min的条件下，将活化温度升温至700℃～1000℃，并在活化温度为700℃～1000℃的条件下，活化1h～5h，得到活化后的多孔碳；

七、待活化后的多孔碳自然冷却至室温，再以去离子水为洗涤液，洗涤至洗涤液为中性，得到中性的多孔碳粉；

八、将中性的多孔碳粉置于烘箱中进行烘干，得到基于棉花的多孔碳。

基于棉花的多孔碳的应用，基于棉花的多孔碳用于对水中污染物的吸附。

本发明的有益效果是：1、可将生活、生产中废弃的棉花回收利用制备成多孔碳吸附材料，节约资源。

2、将用棉花制备而成的多孔碳进行活化，活化剂易得，活化方法简便易行，可一步成型，大大提高多孔碳的制备速率，且增大其比表面积(比表面积可达到1808.89m²/g以上)。

3、活化后的多孔碳对污染物的吸附能力大大提高，可在投加量少，短时间内吸附水中污染物，如以固液的质量比为1:10加入到含磺胺甲恶唑的水中，在吸附2min时，即可吸附掉97％的磺胺甲恶唑，吸附6min时，吸附率接近100％。

本发明用于一种基于棉花的多孔碳的制备方法及其应用。

附图说明

图1为对比实验制备的未活化的多孔碳的xrd图；

图2为实施例一制备的基于棉花的多孔碳的xrd图；

图3为bet测试结果，1为实施例一制备的基于棉花的多孔碳，2为对比实验制备的未活化的多孔碳；

图4为对磺胺甲恶唑的吸附结果图，1为实施例一制备的基于棉花的多孔碳，2为对比实验制备的未活化的多孔碳。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式所述的一种基于棉花的多孔碳的制备方法，它是按照以下步骤进行的：

一、在通风处，将废弃的棉花浸泡于丙酮中，得到浸泡过的棉花；

二、将浸泡过的棉花用去离子水冲洗，然后在烘箱中干燥，得到烘干的棉花；

三、将烘干的棉花置于氧化铝坩埚中，然后在管式炉内进行烧制，在烧制过程中，管式炉内持续通入惰性气体氮气，氮气流量为50ml/min～150ml/min，然后在升温速度为2℃/min～5℃/min的条件下，将烧制温度升温至500℃～800℃，并在烧制温度为500℃～800℃的条件下，烧制0.5h～5h，得到烧制后的样品；

四、待烧制后的样品自然冷却至室温，最后研磨成粉末，得到多孔碳粉末；

五、将活化剂与多孔碳粉末混合，并在研钵中研磨至充分混合，得到混合样品；

所述的活化剂与多孔碳粉末的质量比为(1～5):1；

六、将混合样品置于加盖的氧化铝坩埚中，然后在管式炉内加热活化，在活化过程中，管式炉内持续通入惰性气体氮气，氮气流量为50ml/min～150ml/min，然后在升温速度为2℃/min～5℃/min的条件下，将活化温度升温至700℃～1000℃，并在活化温度为700℃～1000℃的条件下，活化1h～5h，得到活化后的多孔碳；

七、待活化后的多孔碳自然冷却至室温，再以去离子水为洗涤液，洗涤至洗涤液为中性，得到中性的多孔碳粉；

八、将中性的多孔碳粉置于烘箱中进行烘干，得到基于棉花的多孔碳。

本实施方式可选用生活中废弃的旧棉花，如酒精棉作为原材料，运用高温煅烧法制备多孔碳吸附材料，并对其进行活化以提高其比表面积，从而增强其对水中污染物的吸附能力。

将生活和生产中产生的废旧棉花作为前驱体，制备了具有高效吸附性能的多孔碳材料，既保证了污水的快速高效净化，又可实现资源回收，减少环境污染。

本实施方式的有益效果是：1、可将生活、生产中废弃的棉花回收利用制备成多孔碳吸附材料，节约资源。

2、将用棉花制备而成的多孔碳进行活化，活化剂易得，活化方法简便易行，可一步成型，大大提高多孔碳的制备速率，且增大其比表面积(比表面积可达到1808.89m²/g以上)。

3、活化后的多孔碳对污染物的吸附能力大大提高，可在投加量少，短时间内吸附水中污染物，如以固液的质量比为1:10加入到含磺胺甲恶唑的水中，在吸附2min时，即可吸附掉97％的磺胺甲恶唑，吸附6min时，吸附率接近100％。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中在通风处，将棉花浸泡于丙酮中，浸泡24h或24h以上，得到浸泡过的棉花。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤二中在烘箱中干燥，具体是在温度为60℃～90℃的条件下，烘干12h～48h；步骤八中将中性的多孔碳粉置于烘箱中进行烘干，具体是在烘干温度为60℃～100℃的条件下，烘干为12h～24h。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤五中所述的活化剂为氢氧化钠、氢氧化钾或碳酸钾。其它与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述的棉花为废弃棉花或未使用的棉花。其它与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的废弃棉花为废弃酒精棉。其它与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤六中将混合样品置于加盖的氧化铝坩埚中，然后在管式炉内加热活化，在活化过程中，管式炉内持续通入惰性气体氮气，氮气流量为50ml/min～100ml/min，然后在升温速度为2℃/min～5℃/min的条件下，将活化温度升温至800℃～1000℃，并在活化温度为800℃～1000℃的条件下，活化2h～5h，得到活化后的多孔碳。其它与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式基于棉花的多孔碳用于对水中污染物的吸附。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：所述的水中污染物为磺胺甲恶唑、磺胺异恶唑、磺胺嘧啶、环丙沙星或四环素中的一种或其中几种的混合。其它与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八或九之一不同的是：基于棉花的多孔碳用于对水中污染物的吸附具体是按以下步骤进行的：

一、称取基于棉花的多孔碳，以固液的质量比为(1～2):10加入到含污染物的水中，得到混合液；

所述的含污染物的水中污染物的浓度为0.2mg/l～2mg/l；

二、将混合液置于摇床中，在摇动速度为120r/min～140r/min及摇床温度为15℃～45℃的条件下，吸附1min～60min。其它与具体实施方式八或九相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

一种基于棉花的多孔碳的制备方法，它是按照以下步骤进行的：

一、在通风处，将废弃的酒精棉浸泡于丙酮中，得到浸泡过的酒精棉；

二、将浸泡过的酒精棉用去离子水冲洗，然后在烘箱中干燥，得到烘干的酒精棉；

三、将烘干的酒精棉置于氧化铝坩埚中，然后在管式炉内进行烧制，在烧制过程中，管式炉内持续通入惰性气体氮气，氮气流量为70ml/min，然后在升温速度为2.5℃/min的条件下，将烧制温度升温至700℃，并在烧制温度为700℃的条件下，烧制2h，得到烧制后的样品；

四、待烧制后的样品自然冷却至室温，最后研磨成粉末，得到多孔碳粉末；

五、将活化剂与多孔碳粉末混合，并在研钵中研磨至充分混合，得到混合样品；

所述的活化剂与多孔碳粉末的质量比为3:1；

六、将混合样品置于加盖的氧化铝坩埚中，然后在管式炉内加热活化，在活化过程中，管式炉内持续通入惰性气体氮气，氮气流量为50ml/min，然后在升温速度为5℃/min的条件下，将活化温度升温至800℃，并在活化温度为800℃的条件下，活化2h，得到活化后的多孔碳；

七、待活化后的多孔碳自然冷却至室温，再以去离子水为洗涤液，洗涤至洗涤液为中性，得到中性的多孔碳粉；

八、将中性的多孔碳粉置于烘箱中进行烘干，得到基于棉花的多孔碳。

所述的废弃的酒精棉为化学实验室废弃酒精棉；

步骤一中在通风处，将废弃的酒精棉浸泡于丙酮中，浸泡24h，得到浸泡过的酒精棉。

步骤二中在烘箱中干燥，具体是在温度为80℃的条件下，烘干24h。

步骤八中将中性的多孔碳粉置于烘箱中进行烘干，具体是在烘干温度为80℃的条件下，烘干为24h。

步骤五中所述的活化剂为氢氧化钾。

上述制备的基于棉花的多孔碳的应用，基于棉花的多孔碳用于水中磺胺甲恶唑的吸附。

基于棉花的多孔碳用于水中磺胺甲恶唑的吸附具体是按以下步骤进行的：

一、称取基于棉花的多孔碳，以固液比为1:10加入到磺胺甲恶唑溶液中，得到混合液；

所述的磺胺甲恶唑溶液的浓度为0.5mg/l；

二、将混合液置于摇床中，在摇动速度为130r/min及摇床温度为25℃的条件下，吸附30min。

吸附过程中每隔一定时间取样2ml，进行溶液中磺胺甲恶唑浓度的测定，以此考察多孔碳对磺胺甲恶唑的吸附效果。

对比实验：

一种基于棉花的多孔碳的制备方法，它是按照以下步骤进行的：

一、在通风处，将废弃的酒精棉浸泡于丙酮中，得到浸泡过的酒精棉；

二、将浸泡过的酒精棉用去离子水冲洗，然后在烘箱中干燥，得到烘干的酒精棉；

三、将烘干的酒精棉置于氧化铝坩埚中，然后在管式炉内进行烧制，在烧制过程中，管式炉内持续通入惰性气体氮气，氮气流量为70ml/min，然后在升温速度为2.5℃/min的条件下，将烧制温度升温至700℃，并在烧制温度为700℃的条件下，烧制2h，得到烧制后的样品；

四、待烧制后的样品自然冷却至室温，最后研磨成粉末，得到未活化的多孔碳；

所述的废弃的酒精棉为化学实验室废弃酒精棉；

步骤一中在通风处，将废弃的酒精棉浸泡于丙酮中，浸泡24h，得到浸泡过的酒精棉。

步骤二中在烘箱中干燥，具体是在温度为80℃的条件下，烘干24h。

未活化的多孔碳用于对水中污染物的吸附具体是按以下步骤进行的：

一、称取未活化的多孔碳，以固液比为1:10加入到磺胺甲恶唑溶液中，得到混合液；

所述的磺胺甲恶唑溶液的浓度为0.5mg/l；

二、将混合液置于摇床中，在摇动速度为130r/min及摇床温度为25℃的条件下，吸附30min。

吸附过程中每隔一定时间取样2ml，进行溶液中磺胺甲恶唑浓度的测定，以此考察多孔碳对磺胺甲恶唑的吸附效果。

图1为对比实验制备的未活化的多孔碳的xrd图；由图可知，在衍射角27.5°和43°处分别出现石墨碳的(002)晶面和(100)晶面。

图2为实施例一制备的基于棉花的多孔碳的xrd图；由图可知，在衍射角27.5°和43°处仍存在石墨碳的特征衍射峰(002)晶面和(100)晶面，且峰强度增强，说明经活化后，多孔碳的石墨化程度增强。

图3为bet测试结果，1为实施例一制备的基于棉花的多孔碳，2为对比实验制备的未活化的多孔碳；由图可知，经活化后多孔碳的比表面积大大增加，由未经活化的比表面积0.37m²/g增加至活化后的1808.89m²/g。

图4为对磺胺甲恶唑的吸附结果图，1为实施例一制备的基于棉花的多孔碳，2为对比实验制备的未活化的多孔碳，由图可知，较未经活化的多孔碳，经活化后的多孔碳对磺胺甲恶唑的吸附作用明显提高，在吸附时间30min内，未活化的多孔碳仅吸附将近5％的磺胺甲恶唑，而活化后的多孔碳在吸附2min时，即可吸附掉97％的磺胺甲恶唑，吸附6min时，吸附率接近100％。