一種多孔碳吸附劑及其制備方法與應用
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種多孔碳吸附劑及其制備方法與應用，屬于吸附材料領域。
【背景技術】
[0002] 飲用水安全是關系居民身體健康，生命安全的最基本民生問題之一。雖然我國地 表水資源豐富，居世界第六位，但是人均占有量僅為世界平均水平的1/4,此外，由于我國水 資源分布不均衡，水體污染加劇，使有些地區合格的飲用水資源十分有限，這對人們的正常 生活，經濟發展都會帶來影響。許多地方的地表飲用水水源長期為III~IV類水體，有時甚至 達不到IV類水質標準。飲用水安全問題在農村，偏遠不發達地區尤為嚴重，因為這些地方生 活基礎設施建設落后，水質成分復雜，污染物種類，含量差別大，造成污染的原因不盡相同， 給處理方法和技術設備提出了很多新的挑戰。
[0003] 飲用水常規處理工藝包括混凝，沉淀，過濾，消毒等，但是很多地區的水源經過常 規處理仍然無法達到飲用標準，為此需要增加深度處理工藝，應用較廣泛的深度處理技術 包括：活性炭吸附，臭氧氧化，膜分離技術等，其中活性炭吸附是去除水中污染物最有效，最 成熟的處理技術。活性炭對水中多種污染物有廣泛的去除作用，可以有效除去引起水臭的 物質，對芳香族化合物，各種農藥也有很好的吸附能力，對重金屬離子，如汞，六價鉻，鎘，鉛 也有較好的吸附能力。但是活性炭對水中陰離子型污染物，如氟離子，砷酸根的吸附效果不 是很好，因為活性炭一般表現為疏水性，在水中帶微量的負電荷，根據靜電作用，將會對陰 離子型的污染物產生排斥。加上有些陰離子活性低，和活性炭之間的相互作用太弱而無法 有效去除。
[0004] 在之前的報道和研究工作的基礎上發現，氧化鎂是一種優異的水處理材料，如專 利CN102649575A中公布了一種氧化鎂材料的制備，并用作吸附水中鉛，鎘重金屬離子 方面的應用。文南犬（PorousHierarchicallyMicr〇-/NanostructuredMgO:Morphology ControlandTheirExcellentPerformanceinAs(III)andAs(V)Removal.J.Phys. Chem.C，2011，115, 22242 - 22250)中報道的花狀氧化鎂材料對砷酸根具有很好的吸附性 會泛，文南犬(Highyieldcombustionsynthesisofnanomagnesiaanditsapplicationfor fluorideremoval.ScienceoftheTotalEnvironment, 408 (2010) ,2273 - 2282)中報道 的氧化鎂材料可以吸附水中的氟離子。但是這些報道都是用單一組分的氧化鎂為吸附劑， 且制備過程復雜，原料價格較高。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種多孔碳吸附劑及其制備方法與應用。本發明多孔碳吸附 劑的吸附效果好，能處理低濃度的污染水樣，制備原料廉價，制備方法簡單。
[0006] 本發明提供的多孔碳吸附劑，該吸附劑的活性成分為無定型碳和金屬氧化物；
[0007] 所述無定型碳和所述金屬氧化物的質量比為1~10 :1。
[0008] 本發明中，所述無定型碳和所述金屬氧化物的質量比具體可為4 :1、1 :1或1~4: Ιο
[0009] 上述的吸附劑中，所述吸附劑的表觀形態為納米片堆積組成的三維多孔結構；
[0010] 所述金屬氧化物均勻分布在所述無定型碳中；
[0011] 所述金屬氧化物為氧化鎂、氧化1丐、氧化鐵、氧化鋁、氧化鋪和氧化鑭中的至少一 種；
[0012] 所述吸附劑的比表面積可為10~1000m2/g，具體可為346. 4m2/g、175. 0m2/g或 175. 0 ~346. 4m2/g。
[0013] 本發明還提供了上述多孔碳吸附劑的制備方法，包括以下步驟：將天然高分子材 料在硝酸鹽水溶液中浸漬，然后烘干、碳化，即得到多孔碳吸附劑。
[0014] 上述的方法中，所述天然高分子材料為纖維素、木質素和殼聚糖中的至少一種；
[0015] 所述硝酸鹽為硝酸鎂、硝酸鈣、硝酸鐵、硝酸鋁、硝酸鈰和硝酸鑭中的至少一種。
[0016] 本發明中，所述天然高分子材料加入到所述硝酸鹽水溶液中浸漬時，采用邊加入 邊攪拌的方式，加入完畢后仍攪拌混合，直至所述天然高分子材料浸漬吸水，溶于水中的硝 酸鹽也被吸收到所述天然高分子材料中，變為粘度大的漿料；
[0017] 將漿料烘干時，可以放入不同形狀的模具中，如片狀、顆粒狀或塊狀，然后進行碳 化，得到的所述多孔碳吸附劑即具有不同的形狀，所述多孔碳吸附劑形狀具體為片狀、顆粒 狀或塊狀。
[0018] 上述的方法中，所述天然高分子材米用樹木、棉花、猜桿、椰殼和稻殼中至少一種 原料進行制備；
[0019] 所述天然高分子材料的粒徑可為1μm~1cm，具體可為5~10μm;
[0020] 所述硝酸鹽水溶液中硝酸鹽與水的質量體積比可為（lg~5g) :20ml，具體可為 lg：20ml；
[0021] 所述天然高分子材料與所述硝酸鹽的質量比為1~20 :1，具體可為10:1、2:1或 2 ~10:1〇
[0022] 上述的方法中，所述浸漬的溫度可為10~30°C，具體可為25°C;
[0023] 所述浸漬的時間可為不小于lh，具體可為12h或12~36h。
[0024]上述的方法中，所述烘干的溫度可為50~100°C，具體可為80°C;
[0025] 所述烘干的時間可為1~24h，具體可為12h;
[0026] 所述碳化的溫度可為500~1000°C，具體可為800°C;
[0027] 所述碳化的溫度升溫的速率可為1~10° /min，具體可為5° /min;
[0028] 所述碳化的時間可為1~12h，具體可為2h。
[0029] 上述的方法中，所述碳化時通入惰性氣體；
[0030] 所述惰性氣體為氮氣或氬氣。
[0031] 本發明所述多孔碳吸附劑在吸附重金屬離子和/或陰離子無機污染物處理中的 應用。
[0032] 上述的應用，所述處理為水處理；
[0033] 所述重金屬離子為砷、鉛、鎘和汞中的至少一種；
[0034] 所述陰離子無機污染物為氟離子、氯離子和磷酸根離子中的至少一種。
[0035] 本發明具有以下優點：
[0036] 本發明將鎂、鋁或其他的廉價的三價金屬離子修飾到活性炭基質中，得到多組分 的吸附劑，本發明具有優良吸附效果的同時，還增強對陰離子無機污染物的吸附效果。本 發明以天然廉價的高分子材料為碳源，在活性炭的制備工藝中改進性的將金屬離子修飾進 去，得到了均勻分布的金屬氧化物修飾的多孔碳吸附劑，并且可以方便的加工成各種形狀， 便于使用；在對低濃度的污染水樣的測試中，其吸附效果明顯優于商品化的活性炭吸附劑， 而且可利用秸桿，稻殼，椰殼等農業廢棄物，不僅成本低廉，而且變廢為寶。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本發明實施例1中多孔碳吸附劑的掃描電子顯微鏡（SEM)圖像，其中圖 1 (a)為大范圍掃描的SEM圖像，圖1 (b)為小范圍掃描的SEM圖像。
[0038] 圖2為本發明實施例1中多孔碳吸附劑的粉末X射線衍射（XRD)圖譜。
[0039] 圖3為本發明實施例1中多孔碳吸附劑的氮氣吸脫附曲線。
[0040] 圖4為本發明實施例2中多孔碳吸附劑的掃描電子顯微鏡（SEM)圖像，其中圖 4(a)為大范圍掃描的SEM圖像，圖4(b)為小范圍掃描的SEM圖像。
[0041] 圖5為本發明實施例2中多孔碳吸附劑的透射電子顯微鏡（TEM)-元素分布圖像， 其中圖5(a)為TEM圖像，圖5(b)為C元素分布圖像，圖5(c)為Mg元素分布圖像，圖5(d) 為0元素分布圖像。
[0042] 圖6為本發明實施例2中多孔碳吸附劑的粉末X射線衍射（XRD)圖譜。
[0043] 圖7為本發明實施例2中多孔碳吸附劑的氮氣吸脫附曲線。
【具體實施方式】
[0044] 下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。
[0045] 下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業途徑得到。
[0046] 下述實施例中實驗結果的表征，按照如下方法測定：
[0047](1)掃描電子顯微鏡（SEM)
[0048] 將樣品碾磨粉碎后分散在乙醇中，滴加在單晶硅片上，待乙醇揮發干后，在掃描電 鏡JE0L-6701F上觀察，加速電壓為10kv。
[0049] (2)透射電子顯微鏡（TEM)
[0050] 透射電鏡圖像和高分辨像在JE0L-2100F上觀察，加速電壓為200kv，樣品在乙醇 中分散后滴在噴有碳膜的銅網上。
[0051 ] (3)粉末X射線衍射（XRD)
[0052] X射線衍射在Shimadzu7000S上測試，掃描速度為4° /min，加速電壓40