利用未固化碳毡边角料制备重金属吸附活性碳纤维的方法与流程

本发明涉及一种利用未固化碳毡边角料制备重金属吸附活性碳纤维的方法。

背景技术：

随着全球工业经济的快速推进，工业三废的排放、城市垃圾的弃置、各种化学品的施用等造成重金属污染问题日益突出，严重危害到粮食作物的安全、生产与利用，对人类的生存和发展构成严重威胁，已引起全球范围的关注与重视。在众多修复方法中，使用廉价高效的吸附质来吸附水体或土壤环境中有害的有机质或重金属污染物，被认为是一种高效、低耗、易操作、易可控实现目标性吸附的理想方式，近年来备受关注。在吸附修复处理方式中，最为关键的影响因素就是吸附质。目前，可用于吸附修复污染环境的吸附质多种多样，其中，碳材料一直以其广泛的来源、低廉的成本、优异的吸附性能、简便的操作方式等各项卓越的性能优势占据着主导地位。

碳/碳复合材料由于具有低密度、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、摩擦性能好，以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等多项优点，被认为是最有发展前途的高温材料之一，已广泛应用于航空航天、汽车工业、军工、医学等领域。在碳/碳复合材料的制备工艺中，会产生大量的边角尾料（即：碳毡边角料）。这些材料以碳元素为主要组成成分，如直接废弃，不仅造成极大的资源浪费，更由于碳元素的难降解性，将对已经岌岌可危的自然环境造成难以估量的污染威胁。因此，以未固化碳毡边角废料为原料，活化制备可用于吸附修复水体中重金属污染的活性碳纤维，不仅是有效的无害化资源再利用，更能为环境的修复与改善提供材料与方法，具有极大的经济价值和实用意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用未固化碳毡边角料制备重金属吸附活性碳纤维的方法。利用本发明不仅可以使碳毡边角废弃料资源得以有效利用，减缓生态环境压力，同时制得的活性碳纤维具有较好的重金属吸附特性，可以用作水体污染环境中的修复材料，有利于实现“以废制废”，利用废弃资源修复改善人类生存环境。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：利用未固化碳毡边角料制备重金属吸附活性碳纤维的方法，包括以下步骤：

将未固化碳毡边角料切割成小块，与氧化剂水溶液混合，然后置于以聚四氟乙烯为内胆的高压水热反应釜中，升温至180-220℃反应2-8h，自然冷却至室温后，用去离子水反复清洗至中性，干燥后，即得具有良好吸附特性、可用作重金属污染水体环境吸附修复材料的活性碳纤维。

进一步，所述的小块为1-2cm³的小方块。

进一步，所述的氧化剂水溶液的浓度为2-4mol/L。

进一步，所述的小块与氧化剂水溶液按固液重量体积比为1g:10-15ml的比例混合。

进一步，所述的干燥的温度为75-85℃，时间为11-13h。

称取一定质量的活性碳纤维样品置于烧杯中，量取20ml一定浓度的金属离子溶液加入到烧杯中，盖上保鲜膜，放入恒温水浴振荡器中恒温震荡24h，然后过滤，采用原子吸收分光光度计测试滤液中剩余金属离子的浓度。

未固化碳毡是指没有浸润树脂经过固化处理的碳毡，未固化碳毡是以碳纤维为组成成分，碳纤维的表面只有非常少量的聚合物包覆层，固化碳毡有很大的成分是固化树脂。

研究实践表明，本发明所得活性碳纤维表面含氧官能团丰富，比表面积大，对于多种重金属阳离子都具有较好的吸附特性。

本发明利用工业废弃物碳毡边角料，通过简单快速的活化方法制备可用于治理重金属吸附的活性碳纤维材料，变废为宝，充分利用资源，减少环境污染，经济效益好，有益于工业化生产。

附图说明

图1 为本发明实施例3制备的重金属吸附用活性碳纤维（a）以及未固化碳毡边角料（b）的不同重金属离子吸附性能对比图；

图2 为本发明实施例3制备的重金属吸附用活性碳纤维（b）以及未固化碳毡边角料（a）的傅里叶变换红外光谱对比图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

将未固化碳毡边角料切割成1cm×1cm×1cm的立方小块，取4块，与50ml浓度为4mol/L的KMnO₄水溶液混合（固液重量体积比为1g:12.5ml），然后置于以聚四氟乙烯为内胆的高压水热反应釜中，升温至180℃反应2h，自然冷却至室温后，用去离子水反复清洗至中性，于80℃下干燥12h，即得具有良好吸附特性，可用作重金属污染水体环境吸附修复材料的活性碳纤维。

实施例2

将未固化碳毡边角料切割成1cm×1cm×1cm的立方小块，取4块，与50ml浓度为4mol/L的KMnO₄水溶液混合（固液重量体积比为1g:12.5ml），然后置于以聚四氟乙烯为内胆的高压水热反应釜中，升温至200℃反应2h，自然冷却至室温后，用去离子水反复清洗至中性，于80℃下干燥12h，即得具有良好吸附特性，可用作重金属污染水体环境吸附修复材料的活性碳纤维。

实施例3

将未固化碳毡边角料切割成1cm×1cm×1cm的立方小块，取4块，与60ml浓度为4mol/L的KMnO₄水溶液混合（固液重量体积比为1g:15ml）然后置于以聚四氟乙烯为内胆的高压水热反应釜中，升温至200℃反应6h，自然冷却至室温后，用去离子水反复清洗至中性，于80℃下干燥12h，即得具有良好吸附特性，可用作重金属污染水体环境吸附修复材料的活性碳纤维。

对比例

取未经活化处理的未固化碳毡废料直接研磨粉碎，在相同的条件下测试其在水体环境中对不同重金属离子的吸附效果，其吸附性能远不如经活化处理后的活性碳纤维产物。

采用本发明方法以未固化碳毡边角废弃料经氧化剂水热反应后制备的活性碳纤维置于水体环境中测试对不同重金属离子的吸附效果，数据结果如表1所示。其中实施例3中所获得的活性碳纤维对Pb、Cd、Cr、Cu等重金属离子的吸附效果如图1所示。从实验结果来看，实施例3所获得的活性碳纤维材料具有丰富的含氧官能团，对不同的重金属离子具有良好的吸附特性。

表1 不同实施例对不同重金属离子的吸附性能

综上所述，采用本发明所提供的以未固化碳毡边角废弃料为原材料的采用氧化剂进行水热活化方法：一方面，以碳毡边角废弃料为处理对象，可实现资源的回收利用，有效减少环境污染，降低生产成本；另一方面，制备工艺简单，流程简便，成本低，得到的活化碳纤维产物具有良好的重金属吸附性能，可以用于环境修复改善领域；原料来源广泛，生产工艺简单，适合工业化推广应用。