一种多孔碳吸附剂及其制备方法与应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多孔碳吸附剂及其制备方法与应用，属于吸附材料领域。
【背景技术】
[0002] 饮用水安全是关系居民身体健康，生命安全的最基本民生问题之一。虽然我国地 表水资源丰富，居世界第六位，但是人均占有量仅为世界平均水平的1/4,此外，由于我国水 资源分布不均衡，水体污染加剧，使有些地区合格的饮用水资源十分有限，这对人们的正常 生活，经济发展都会带来影响。许多地方的地表饮用水水源长期为III~IV类水体，有时甚至 达不到IV类水质标准。饮用水安全问题在农村，偏远不发达地区尤为严重，因为这些地方生 活基础设施建设落后，水质成分复杂，污染物种类，含量差别大，造成污染的原因不尽相同， 给处理方法和技术设备提出了很多新的挑战。
[0003] 饮用水常规处理工艺包括混凝，沉淀，过滤，消毒等，但是很多地区的水源经过常 规处理仍然无法达到饮用标准，为此需要增加深度处理工艺，应用较广泛的深度处理技术 包括：活性炭吸附，臭氧氧化，膜分离技术等，其中活性炭吸附是去除水中污染物最有效，最 成熟的处理技术。活性炭对水中多种污染物有广泛的去除作用，可以有效除去引起水臭的 物质，对芳香族化合物，各种农药也有很好的吸附能力，对重金属离子，如汞，六价铬，镉，铅 也有较好的吸附能力。但是活性炭对水中阴离子型污染物，如氟离子，砷酸根的吸附效果不 是很好，因为活性炭一般表现为疏水性，在水中带微量的负电荷，根据静电作用，将会对阴 离子型的污染物产生排斥。加上有些阴离子活性低，和活性炭之间的相互作用太弱而无法 有效去除。
[0004] 在之前的报道和研究工作的基础上发现，氧化镁是一种优异的水处理材料，如专 利CN102649575A中公布了一种氧化镁材料的制备，并用作吸附水中铅，镉重金属离子 方面的应用。文南犬（PorousHierarchicallyMicr〇-/NanostructuredMgO:Morphology ControlandTheirExcellentPerformanceinAs(III)andAs(V)Removal.J.Phys. Chem.C，2011，115, 22242 - 22250)中报道的花状氧化镁材料对砷酸根具有很好的吸附性 會泛，文南犬(Highyieldcombustionsynthesisofnanomagnesiaanditsapplicationfor fluorideremoval.ScienceoftheTotalEnvironment, 408 (2010) ,2273 - 2282)中报道 的氧化镁材料可以吸附水中的氟离子。但是这些报道都是用单一组分的氧化镁为吸附剂， 且制备过程复杂，原料价格较高。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种多孔碳吸附剂及其制备方法与应用。本发明多孔碳吸附 剂的吸附效果好，能处理低浓度的污染水样，制备原料廉价，制备方法简单。
[0006] 本发明提供的多孔碳吸附剂，该吸附剂的活性成分为无定型碳和金属氧化物；
[0007] 所述无定型碳和所述金属氧化物的质量比为1~10 :1。
[0008] 本发明中，所述无定型碳和所述金属氧化物的质量比具体可为4 :1、1 :1或1~4: Ιο
[0009] 上述的吸附剂中，所述吸附剂的表观形态为纳米片堆积组成的三维多孔结构；
[0010] 所述金属氧化物均匀分布在所述无定型碳中；
[0011] 所述金属氧化物为氧化镁、氧化1丐、氧化铁、氧化铝、氧化铺和氧化镧中的至少一 种；
[0012] 所述吸附剂的比表面积可为10~1000m2/g，具体可为346. 4m2/g、175. 0m2/g或 175. 0 ~346. 4m2/g。
[0013] 本发明还提供了上述多孔碳吸附剂的制备方法，包括以下步骤：将天然高分子材 料在硝酸盐水溶液中浸渍，然后烘干、碳化，即得到多孔碳吸附剂。
[0014] 上述的方法中，所述天然高分子材料为纤维素、木质素和壳聚糖中的至少一种；
[0015] 所述硝酸盐为硝酸镁、硝酸钙、硝酸铁、硝酸铝、硝酸铈和硝酸镧中的至少一种。
[0016] 本发明中，所述天然高分子材料加入到所述硝酸盐水溶液中浸渍时，采用边加入 边搅拌的方式，加入完毕后仍搅拌混合，直至所述天然高分子材料浸渍吸水，溶于水中的硝 酸盐也被吸收到所述天然高分子材料中，变为粘度大的浆料；
[0017] 将浆料烘干时，可以放入不同形状的模具中，如片状、颗粒状或块状，然后进行碳 化，得到的所述多孔碳吸附剂即具有不同的形状，所述多孔碳吸附剂形状具体为片状、颗粒 状或块状。
[0018] 上述的方法中，所述天然高分子材米用树木、棉花、猜杆、椰壳和稻壳中至少一种 原料进行制备；
[0019] 所述天然高分子材料的粒径可为1μm~1cm，具体可为5~10μm;
[0020] 所述硝酸盐水溶液中硝酸盐与水的质量体积比可为（lg~5g) :20ml，具体可为 lg：20ml；
[0021] 所述天然高分子材料与所述硝酸盐的质量比为1~20 :1，具体可为10:1、2:1或 2 ~10:1〇
[0022] 上述的方法中，所述浸渍的温度可为10~30°C，具体可为25°C;
[0023] 所述浸渍的时间可为不小于lh，具体可为12h或12~36h。
[0024]上述的方法中，所述烘干的温度可为50~100°C，具体可为80°C;
[0025] 所述烘干的时间可为1~24h，具体可为12h;
[0026] 所述碳化的温度可为500~1000°C，具体可为800°C;
[0027] 所述碳化的温度升温的速率可为1~10° /min，具体可为5° /min;
[0028] 所述碳化的时间可为1~12h，具体可为2h。
[0029] 上述的方法中，所述碳化时通入惰性气体；
[0030] 所述惰性气体为氮气或氩气。
[0031] 本发明所述多孔碳吸附剂在吸附重金属离子和/或阴离子无机污染物处理中的 应用。
[0032] 上述的应用，所述处理为水处理；
[0033] 所述重金属离子为砷、铅、镉和汞中的至少一种；
[0034] 所述阴离子无机污染物为氟离子、氯离子和磷酸根离子中的至少一种。
[0035] 本发明具有以下优点：
[0036] 本发明将镁、铝或其他的廉价的三价金属离子修饰到活性炭基质中，得到多组分 的吸附剂，本发明具有优良吸附效果的同时，还增强对阴离子无机污染物的吸附效果。本 发明以天然廉价的高分子材料为碳源，在活性炭的制备工艺中改进性的将金属离子修饰进 去，得到了均匀分布的金属氧化物修饰的多孔碳吸附剂，并且可以方便的加工成各种形状， 便于使用；在对低浓度的污染水样的测试中，其吸附效果明显优于商品化的活性炭吸附剂， 而且可利用秸杆，稻壳，椰壳等农业废弃物，不仅成本低廉，而且变废为宝。
【附图说明】
[0037] 图1为本发明实施例1中多孔碳吸附剂的扫描电子显微镜（SEM)图像，其中图 1 (a)为大范围扫描的SEM图像，图1 (b)为小范围扫描的SEM图像。
[0038] 图2为本发明实施例1中多孔碳吸附剂的粉末X射线衍射（XRD)图谱。
[0039] 图3为本发明实施例1中多孔碳吸附剂的氮气吸脱附曲线。
[0040] 图4为本发明实施例2中多孔碳吸附剂的扫描电子显微镜（SEM)图像，其中图 4(a)为大范围扫描的SEM图像，图4(b)为小范围扫描的SEM图像。
[0041] 图5为本发明实施例2中多孔碳吸附剂的透射电子显微镜（TEM)-元素分布图像， 其中图5(a)为TEM图像，图5(b)为C元素分布图像，图5(c)为Mg元素分布图像，图5(d) 为0元素分布图像。
[0042] 图6为本发明实施例2中多孔碳吸附剂的粉末X射线衍射（XRD)图谱。
[0043] 图7为本发明实施例2中多孔碳吸附剂的氮气吸脱附曲线。
【具体实施方式】
[0044] 下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
[0045] 下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0046] 下述实施例中实验结果的表征，按照如下方法测定：
[0047](1)扫描电子显微镜（SEM)
[0048] 将样品碾磨粉碎后分散在乙醇中，滴加在单晶硅片上，待乙醇挥发干后，在扫描电 镜JE0L-6701F上观察，加速电压为10kv。
[0049] (2)透射电子显微镜（TEM)
[0050] 透射电镜图像和高分辨像在JE0L-2100F上观察，加速电压为200kv，样品在乙醇 中分散后滴在喷有碳膜的铜网上。
[0051 ] (3)粉末X射线衍射（XRD)
[0052] X射线衍射在Shimadzu7000S上测试，扫描速度为4° /min，加速电压40