本发明属于活性炭制备技术领域，具体涉及一种基于碱/尿素溶解体系的氮磷共掺杂活性炭及其制备方法。
背景技术：
活性炭是以采用碳作为基本骨架，具有发达的孔隙结构、高的比表面积、优良的耐酸碱、独特的电子传导性能，作为一种功能材料被广泛应用于吸附、催化、能源、电子信息等领域。在制备活性炭的活化过程中，微孔进一步扩大形成许多不同的孔隙，孔隙表面被烧掉，化学结构出现缺陷；此外，加入一些n、p杂原子，使得活性炭的基本结构产生缺陷和不饱和价态，氧和其他杂原子吸附于这些缺陷上与层面和边缘上的碳反应形成各种键，形成各种表面功能基团。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于碱/尿素溶解体系的氮磷共掺杂活性炭及其制备方法，操作简单、绿色环保，制得的氮磷共掺杂活性炭具有较高的比表面积、氮含量和磷含量，良好的吸附性能，对研究高性能活性炭具有重要意义。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于碱/尿素溶解体系的氮磷共掺杂活性炭制备方法，其制备步骤如下：
（1）选取粒度为0.18–0.25mm的植物原料，并进行干燥；
（2）配制碱/尿素溶液，并进行冷冻；
（3）将步骤（1）的植物原料与步骤（2）解冻后的碱/尿素溶液混合，加入氮磷有机化合物，低温冷冻，然后进行活化；
（4）待步骤（3）的样品冷却至室温后，进行酸洗水洗、直至ph为中性，然后干燥，得到氮磷共掺杂活性炭。
所述的植物原料为木屑、竹屑、果壳、草屑、树皮、大麻等。
所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾中一种或者二者的混合，碱/尿素溶液为碱、尿素和水的混合物，氮磷化合物为磷酸三聚氰胺、磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、次磷酸铵，碱/尿素溶液中碱与尿素的质量比为1:1-4:1，植物原料与碱/尿素溶液质量比为1:1-1:4。
氮磷有机化合物与植物原料的质量比为1:2-1:20，低温冷冻时间为1-4h,活化温度为600-900℃，活化时间为1-4h。
本发明的有益效果在于：在低温条件下，碱/尿素溶液中，碱能破坏纤维素分子间或分子间的氢键，使纤维素链断裂并溶解，同时含有氮磷的化合物进入植物原料内部，与植物原料中的醚键、甲氧基、酚羟基、羧基等活性基团发生交联、接枝，形成新的交联聚合物，有利于在材料表面形成稳定结构，提高活性炭的掺杂量。同时，在碱性条件下，交联聚合物和植物原料形成活性炭的骨架，有利于提高活性炭的比表面积。本发明操作简单、绿色环保，可为制备功能活性炭提供了新技术。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
将碱/尿素溶液（氢氧化钠40g，氢氧化钾40g，尿素60g，水150g）进行冷冻。然后，取80g粒度为0.18-0.25mm的木屑与解冻后的碱/尿素溶液混合，加入20g磷酸三聚氰胺，低温冷冻4h，然后在900℃下活化4h、冷却至室温后，进行酸洗水洗、直至ph值为中性，干燥，得到氮磷共掺杂活性炭。
本实例中得到氮磷共掺杂活性炭的碘吸附值1286mg/g,比表面积为1457m2/g，氮含量为7.42%，磷含量为1.04%。
实施例2
将碱/尿素溶液（氢氧化钠20g，尿素20g，水40g）进行冷冻。然后，取80g粒度为0.18-0.25mm的大麻与解冻后的碱/尿素溶液混合，加入30g磷酸铵，低温冷冻1h，然后在600℃下活化3h、冷却至室温后，进行酸洗水洗、直至ph值为中性，干燥，得到氮磷共掺杂活性炭。
本实例中得到氮磷共掺杂活性炭的碘吸附值568mg/g，比表面积为636m2/g，氮含量为6.86%，磷含量为2.38%。
实施例3
将碱/尿素溶液（氢氧化钾40g，尿素30g，水120g）进行冷冻。然后，取80g粒度为0.18-0.25mm的果壳与解冻后的碱/尿素溶液混合，加入20g磷酸氢二铵，然后在800℃下活化2h、冷却至室温后，进行酸洗水洗、直至ph值为中性，干燥，得到氮磷共掺杂活性炭。
本实例中得到氮磷共掺杂活性炭的碘吸附值952mg/g，比表面积为1160m2/g，氮含量为5.25%，磷含量为1.53%。
实施例4
将碱/尿素溶液（氢氧化钠40g，氢氧化钾40g，尿素20g，水120g）进行冷冻。然后，取80g粒度为0.18-0.25mm的草屑与解冻后的碱/尿素溶液混合，加入30g磷酸二氢铵，低温冷冻2h，然后在700℃下活化1h、冷却至室温后，进行酸洗水洗、直至ph值为中性，干燥，得到氮磷共掺杂活性炭。
本实例中得到氮磷共掺杂活性炭的碘吸附值804mg/g，比表面积为932m2/g，氮含量为4.64%，磷含量为2.06%。
实施例5
将碱/尿素溶液（氢氧化钠50g，氢氧化钾50g，尿素50g，水160g）进行冷冻。然后，取80g粒度为0.18-0.25mm的竹屑与解冻后的碱/尿素溶液混合，加入25g磷酸三聚氰胺，低温冷冻2.5h，然后在650℃下活化1h、冷却至室温后，进行酸洗水洗、直至ph值为中性，干燥，得到氮磷共掺杂活性炭。
本实例中得到氮磷共掺杂活性炭的碘吸附值614mg/g，比表面积为672m2/g，氮含量为10.62%，磷含量为1.94%。
实施例6
将碱/尿素溶液（氢氧化钠20g，氢氧化钾20g，尿素20g，水100g）进行冷冻。然后，取80g粒度为0.18-0.25mm的树皮与解冻后的碱/尿素溶液混合，加入4g次磷酸铵，低温冷冻3h，然后在850℃下活化2h、冷却至室温后，进行酸洗水洗、直至ph值为中性，干燥，得到氮磷共掺杂活性炭。
本实例中得到氮磷共掺杂活性炭的碘吸附值1126mg/g，比表面积为1240m2/g，氮含量为2.26%，磷含量为0.63%。
表1不同工艺条件下氮磷共掺杂活性炭性能
注：表中碱为氢氧化钠和氢氧化钾的混合碱，质量比1:1，碱/尿素溶液中碱和尿素的质量比为4:3，木屑与碱/尿素溶液质量比1:3.6，三聚氰胺与木屑的比例为1:4，活化温度900℃，活化时间1h。
本发明研究了氮磷共掺杂活性炭碘吸附值、比表面积、氮含量、磷含量等性能的变化。由表可知，低温碱/尿素体系制备的氮磷共掺杂活性炭（样品1）的碘吸附值、比表面积和氮含量、磷含量均比常温碱/尿素体系的活性炭（样品2）高；与木质材料为原料制备的活性炭（样品3）相比，在低温碱/尿素体系中引入氮磷有机化合物，有利于提高活性炭（样品1）的碘吸附值、比表面积和氮含量、磷含量。在低温条件下，碱/尿素溶液中，碱能破坏纤维素分子间或分子间的氢键，使纤维素链断裂并溶解，同时含有氮磷的化合物进入植物原料内部，与植物原料中的醚键、甲氧基、酚羟基、羧基等活性基团发生交联、接枝，形成新的交联聚合物，有利于在材料表面形成稳定结构，提高活性炭的掺杂量。同时，在碱性条件下，交联聚合物和植物原料形成活性炭的骨架，有利于提高活性炭的比表面积。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。