一种高负载纳米银活性炭及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高负载纳米银活性炭及其制备方法，具体来说，是一种工艺简单、成本低、安全性高的制备方法，适合工业生产；能制备出不同规格载纳米银活性炭以满足不同需求，可用于制备污水处理、废气处理、抗菌保洁、环保与净化、化学催化等相关产品，前景广阔。
【背景技术】
[0002]改革开放三十多年来，我国经济和社会取得了持续快速和深刻的发展。在这个过程中，随着工业制造业和农业的快速发展，环境问题日趋严重。其中，水质恶化和大气污染已经严重威胁到人们的健康和生产生活。如何对水和大气污染进行有效的治理，保护人类赖以生存的水和大气资源，实现经济社会的可持续发展，就变得越来越紧迫和重要。
[0003]在诸多水和大气处理技术中，活性炭吸附技术是一种立竿见影和廉价的方法。但活性炭吸附技术也存在其弊端，例如，由于活性炭表面的疏水，加上巨大的比表面积，在有效去除水体中有机化合物和部分无机杂质的同时，也为细菌等微生物的繁殖提供了温床，使活性炭本身也成为了污染源，造成水体的二次污染而影响净水效果。为了克服这一缺陷，我们考虑对活性炭进行载银处理，活性炭载纳米银后成为载纳米银活性炭。载纳米银活性炭不仅可以保持吸附水中的有机化合物和部分无机物的功能，其搭载的纳米银还可有效抑制细菌、霉菌甚至病毒的微生物的生长繁殖。研究发现，载纳米银活性炭与普通活性炭相比，不但去污除杂的速度加快，效率也大大得到提升，而且可以有效抑制微生物繁殖，防止活性炭成为二次污染源。
[0004]在诸多种类的活性炭中，我们选择了比表面积大、孔隙发达且机械性能好的活性炭为载体，其中果壳活性碳所含的水分和灰分均比较低，故优选果壳活性碳作为纳米银载体。另一方面，研究表明，载纳米银活性炭的杀菌抑菌能力与载银量和纳米银粒径相关。活性炭的载银量越高，纳米银粒径越小，杀菌抑菌效果越好。故本发明通过对活性炭进行活化的方法增加活性炭表面和孔隙内的载银位点来提高载银量。同时，我们预先合成了不超过200nm的纳米银颗粒，将其作为纳米银介质。
[0005]中国专利《负载纳米银的活性炭及其制备方法》(公开号:CN103232035A)公开的方法为，将稻壳活性炭加入去离子水中，调节pH值为9~11，再加入一价态银化合物和络合剂，搅拌混合均匀后加入化学还原剂，充分反应后即得负载纳米银的活性炭。该方法是在活性炭吸附一价态银的络合物后，再用还原剂，将活性炭上吸附的一价态银的络合物进行还原，得到载纳米银活性炭，但载纳米银活性炭上的纳米银颗粒团聚严重，颗粒分布不均匀，且纳米银主要分布在活性炭表面，内部孔隙纳米银分布较少，最后导致载银量低，载纳米银活性炭的杀菌抗菌性能大打折扣。另一方面，虽然后处理过程还是经过了抽洗烘干等步骤，但由于活性炭的超强吸附性，导致活性炭内部吸附的杂质化合物和离子等残留严重，这会影响水处理效果，而这些杂质化合物和离子都是还原一价态银的络合物带入的。
[0006]中国专利《含纳米银颗粒抗菌活性碳纤维的制备方法》(公开号:CN1376822)公开的方法在原理上与《负载纳米银的活性炭及其制备方法》(公开号:CN103232035A)公开的方法一样，不同之处在于，活性炭纤维直接吸附的不是一价态银的络合物，而是直接吸附一价态银，然后利用活性炭纤维的还原性，对吸附的一价态银在高温下进行还原，成为载纳米银活性炭。虽然未加入其他还原剂和络合试剂，但磷酸浸泡过的活性炭纤维对一价态银的吸附能力有限，会影响载银量，而且还原后的纳米银粒径分布不均与，主要也分布于活性炭表面，难以形成稳定持久的吸附和抗菌抑菌效果。
[0007]中国专利《一种制作椰炭纳米银活性炭的方法》(公开号:CN104190357A)公开的方法虽然采用高比表面积和孔隙率的椰壳活性炭，在植入纳米银前对活性炭纤维做了简单的盐酸酸洗，这只能起到一定疏导活性炭孔隙和管道的作用，对活性炭的亲水性改造、提高比表面积和孔容无明显作用，故在提高载银量方面效果十分有限。该发明的改进之处在让纳米银的制备过程和活性炭吸附过程独立开来，得到了高纯度的纳米银颗粒，让活性炭可以在一个相对“干净”的体系中吸附纳米银，有效避免了其他杂质化合物和离子的干扰，但因未将纳米银颗粒配置成更为稳定均一的纳米银胶体溶液，使得纳米银颗粒不能更好与活性碳纤维充分兼容和接触而布朗扩散到孔隙内，最终吸附主要停留在活性炭表面，影响了载银量，也不利于减少银流失。
[0008]经过长期调研，我们发现，目前市售载银活性炭，银颗粒在活性炭表面的吸附主要依靠范德华作用力，这种化学作用力非常弱，很难提高载银量和抵抗银流失，故难以形成持久的吸附和杀菌抑菌效果。更重要的是，这类载银活性炭的载银量一般为ppm级，从几十到几百ppm，而且粒径多为几百纳米，杀菌能力十分有限。
[0009]归纳起来，本发明的目的就是旨在解决四个问题:第一，提高活性碳载银量；第二，降低载纳米银颗粒粒径；第三，减少银流失；第四，严格控制载纳米银活性炭的杂质和其他离子残留，防止其成为二次污染源。
【发明内容】
[0010]本发明针对上述问题，提供了一整套解决方案，第一，为提高活性碳载银量，我们首先选择被广泛应用于生活污水、化工污水、医用污水及城市污水等各种类型污水和废气处理的活性炭为纳米银载体，其中果壳碳中的椰壳活性炭具有较大的比表面积、发达的微中孔结构、吸附容量大、过滤速度快等特性；第二，本发明设计了对活性炭进行预处理，进一步提高其表面和孔隙内活性吸附基团数量和密度，疏导孔隙。通过纳米银颗粒与改性活性炭表面和孔隙内活性吸附基团之间的络合作用，提高载银量至千ppm到万ppm级，抵抗银流失；第三，本发明预先合成了高纯度纳米银介质；第四，我们设计了将载银和纳米银介质制备两个过程分离的办法，把纳米银通过纳米银介质植入预处理后的活性炭中，有效避免了还原剂、络合物和杂质离子的干扰，防止载纳米银活性炭成为二次污染源。第五，在单独构建的体系中制备纳米银介质，可以有效控制纳米银颗粒的粒径分布和表面极性等，同时便于对其进行分离纯化和计量，提高了可控性，也符合模块化生产的理念。本发明公开的设计理念和方法尚未见报道。
[0011]本发明是通过以下技术方案来实现的:
一种高负载纳米银活性炭及其制备方法，其具体步骤如下:
纳米银介质的制备优先采用化学合成技术制备纳米银介质，纳米银粒径范围为5~500nm，优选为5?100nmo
[0012]进一步地，活性碳的预处理
优先采用氧化改性的方法对活性炭进行活化预处理；然后分离纯化、烘干，待用。
[0013]进一步地，载银过程的控制
将准确计量的预处理活性炭加入一定量的纳米银介质中，配以一定的辅助吸附措施，完成纳米银植入过程；分离出载纳米银活性炭粗品。
[0014]进一步地，载纳米银活性炭的分离纯化、烘干与保藏
将上一步分离出的载纳米银活性炭粗品进一步分离纯化，烘干，待用。
[0015]有益效果:
本发明提供的一种高负载纳米银活性炭及其制备方法，先制备出了粒径更小(不超过lOOnm)、分布更加均勾、兼容性更高的高纯度纳米银介质。
[0016]对活性炭进行了活化预处理，提高了活性炭表面和孔隙内纳米银活性吸附基团数量和密度，将活性炭载银量提高至千ppm到万ppm级。
[0017]纳米银与活性吸附基团通过络合作用缔合，相比于范德华作用更为牢固，起到缓释和减少银流失的作用。
[0018]将纳米银介质的制备与活性炭的吸附载银过程分离开来，减少了其杂质残留。
[0019]按照本发明设计的思路，将载纳米银活性炭的整个制备过程分为四大模块:活性炭的预处理、纳米银介质的制备、载银吸附、分离纯化(后处理)，实现了制备过程的模块化，有助于质量管控，也有利于提高生产效率。