一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料及其制备方法和应用

本发明涉及生物质炭材料，具体的说是一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、工业及农业生产废水、医院废水、生活污水等，均含有大量的有机污染物，这些有机污染物中多为大分子难降解有机物，如多氯联苯、多环芳烃等，严重威胁水生态环境和人类的健康。利用吸附技术可以有效去除水体中的有机污染物，无二次污染，且操作简便，具有较好的实际应用前景。其中，吸附剂材料的制备是该技术中重要的一环，吸附剂不仅要有优异的吸附性能，同时还要兼具原料来源广和成本低的特点。

2、糠醛是一种重要的平台化合物，主要由生物质(包括玉米芯、玉米秸秆、麦秆、甘蔗渣、废气木材等)中的半纤维素经过酸水解得到。目前，大部分糠醛渣被作为低能值燃料直接燃烧或者丢弃，不仅会对环境产生一定的负担，同时也造成了资源的浪费。糠醛渣中主要成分是纤维素和木质素，碳含量高达50％，是制备炭材料的理想前驱体。以糠醛渣为原料，制备多孔炭吸附剂材料，并用于水中有机污染物的去除，不仅可以实现糠醛渣的高值化应用，产生一定的经济效益和社会效益，同时还为制备廉价易得的吸附剂材料提供了新的思路。

3、糠醛渣结构复杂，木质素和纤维素通过多种连接键(醚键、酯键、氢键等)交织在一起，形成复杂的网状结构，如果直接热解碳化，会发生严重的缩聚，导致得到的炭材料孔道结构较少，限制了其在吸附领域的应用。目前，以糠醛渣为前驱体制备炭吸附剂材料的研究有很多，多集中在孔道结构的构建。huxun等人研究了不同的钾化合物(kcl、koh、k2co3和k2c2o4)对糠醛渣热解碳化过程中孔道形成的影响，结果表明，k2co3和k2c2o4具有较好的活化造孔效果，衍生炭的比表面积可以达到1000m2/g以上。mapengyong等人以磷酸作为活化造孔剂，制备得到的糠醛渣衍生炭比表面积可以达到1769.4m2/g，对亚甲基蓝的吸附量可以达到486mg/g。hanxiuli等人利用水蒸气活化造孔，制备得到糠醛渣衍生多孔炭，其比表面积可以达到1662.41m2/g。中国发明专利cn105174254a公布了一种以玉米芯为原料制备活性炭和糠醛的方法，以玉米芯为原料，先通过硫酸水解制备糠醛，然后直接将糠醛渣浸渍到koh溶液中，烘干碳化，制备得到糠醛渣衍生多孔炭。

4、综上，当前制备糠醛渣衍生炭吸附剂材料的方法有很多，且得到的炭材料比表面积较高，然而，其孔道结构复杂。复杂的孔道结构会极大的影响水体中有机物的传质，增加传质阻力，特别是对于水体中的大分子有机物，如大分子的染料和抗生素，这也是当前糠醛渣衍生炭对大分子有机物吸附性能不理想的主要原因。另一方面，在实际应用中，通常将吸附剂材料填充到固定床设备，再将含有机污染物的废水流经固定床，通过吸附过程去除水体中的污染物，该过程中吸附剂材料与污染物接触时间较短，吸附剂材料的传质阻力对于去除效果有较大的影响。

技术实现思路

1、本发明的目的是为解决现有技术中糠醛渣衍生炭吸附剂材料的孔道结构复杂，导致对大分子有机物吸附性能不理想的问题，提供一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料及其制备方法和应用。

2、本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、取糠醛渣和纳米mgo分散至水溶液中，得到混合液；

4、s2、去除混合液中的水分，得到糠醛渣/mg(oh)2复合物；

5、s3、将糠醛渣/mg(oh)2置于惰性气体氛围下煅烧，得到炭/mgo复合物；

6、s4、将炭/mgo复合物进行酸洗，得到具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料。

7、作为本发明一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料的制备方法的进一步优化：具体包括如下步骤：

8、s1：将糠醛渣与纳米mgo加入到水溶液中，超声分散后得到分散均匀的混合液；

9、s2：对混合液进行加热搅拌，待混合液变为粘稠状停止搅拌，经干燥得到糠醛渣/mg(oh)2复合物固体粉末；

10、s3：将糠醛渣/mg(oh)2复合物固体粉末在惰性气体氛围下进行高温煅烧，得到糠醛渣衍生炭/mgo复合物；

11、s4：炭/mgo复合物用稀酸溶液进行酸洗，再经过滤、水洗及干燥得到具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料。

12、作为本发明一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料的制备方法的进一步优化：所述步骤s1中糠醛渣和纳米mgo的加入质量比为1:0.5-1:5，混合液的质量浓度为50mg/ml。

13、作为本发明一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料的制备方法的进一步优化：所述步骤s2中加热搅拌的温度为50-80℃，搅拌速率为100-500r/min，干燥温度为90-110℃。

14、作为本发明一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料的制备方法的进一步优化：所述步骤s3中干燥温度为90-110℃。

15、作为本发明一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料的制备方法的进一步优化：所述步骤s3中煅烧的工艺条件为：升温速率为5-20℃/min，升温至500-900℃，碳化时间为0.5-5h。

16、作为本发明一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料的制备方法的进一步优化：所述步骤s3中煅烧的工艺条件为：升温速率为8-15℃/min，升温至600-800℃，碳化时间为1-3h。

17、作为本发明一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料的制备方法的进一步优化：所述稀酸溶液为硝酸溶液或者盐酸溶液，稀酸溶液的浓度为0.1-2mol/l，干燥温度为100℃。

18、一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料，由上述制备方法制得。

19、一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料在去除水体中小分子以及大分子有机污染物中的应用。

20、本发明具有以下有益效果：

21、一、本发明的糠醛渣衍生炭材料具有二维炭纳米片交叉形成的大孔以及炭纳米片上存在的大量微孔和介孔，这些孔道结构不仅可以赋予材料高的比表面积，而且孔道暴露在外界环境中，具有开放性的特点，作为吸附剂材料，可以极大的降低污染物的传质阻力，在固定床柱吸附中对大分子有机物依然可以表现出极高的吸附量，应用前景广阔；

22、二、本发明以糠醛渣作为前驱体来制备炭材料，利用纳米mgo在水溶液中，加热条件下水化生成小片径的mg(oh)2纳米片的特点，基于挥发诱导自组装过程，制备得到具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料，该方法简单易操作，对设备无腐蚀性，具有普适性。

技术特征：

1.一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.如权利要求1所述一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

3.如权利要求1或2所述一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中糠醛渣和纳米mgo的加入质量比为1:0.5-1:5，混合液的质量浓度为50mg/ml。

4.如权利要求1或2所述一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s2中加热搅拌的温度为50-80℃，搅拌速率为100-500r/min，干燥温度为90-110℃。

5.如权利要求1或2所述一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s3中干燥温度为90-110℃。

6.如权利要求1或2所述一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s3中煅烧的工艺条件为：升温速率为5-20℃/min，升温至500-900℃，碳化时间为0.5-5h。

7.如权利要求1或2所述一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s3中煅烧的工艺条件为：升温速率为8-15℃/min，升温至600-800℃，碳化时间为1-3h。

8.如权利要求2所述一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料的制备方法，其特征在于：所述稀酸溶液为硝酸溶液或者盐酸溶液，稀酸溶液的溶度为0.1-2mol/l，干燥温度为100℃。

9.一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料，其特征在于：由权利要求1-8中任一权利要求所述制备方法制得。

10.如权利要求9所述糠醛渣衍生炭材料在去除水体中小分子以及大分子有机污染物中的应用。

技术总结
本发明公开了一种具有开放孔道结构的糠醛渣衍生炭材料及其制备方法和应用。本发明制备方法以糠醛渣和纳米氧化镁为原料，将二者超声分散到水溶液中，加热除去水分，该过程中纳米氧化镁水化生成小片径的氢氧化镁纳米片，同时水溶液的pH增加，糠醛渣溶胀，通过氢键作用，糠醛渣附着在氢氧化镁纳米片表面，纳米片交叉形成开放的大孔结构；再通过高温煅烧，氢氧化镁分解生成MgO纳米颗粒和水蒸气，水蒸气具有气相剥离的作用，而MgO附着在糠醛渣衍生炭纳米片表面，进一步稀酸洗去MgO，得到开放的微介孔结构。该炭材料具有大量开放的孔道结构，在模拟固定床装置中，作为吸附剂材料，对水体中的大分子和小分子有机污染物均表现出优异的吸附量。

技术研发人员：张宾朋,王涵,朱春山,刘文举,孙万鹏,何昱铤,黄宝强
受保护的技术使用者：河南工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15