一种水处理用活性炭的制备方法与流程

本发明属于活性炭，涉及一种水处理用活性炭的制备方法。

背景技术：

1、水处理是确保水质安全和保护环境的重要环节，尤其在工业化和城市化进程中，水体污染问题日益严重，这些污染物不仅对人类健康构成威胁，也破坏了水生生态系统的平衡，活性炭作为一种高效的水处理材料，因其高比面积、多孔结构和良好的吸附性能，被广泛应用于水处理领域，然而，现阶段活性炭的使用也存在一些局限。首先，传统活性炭的吸附选择性不高，对不同污染物的吸附能力存在差异；其次，活性炭本身的亲水性使其容易被水分子占据吸附位点，同时也会影响对疏水性污染物的吸附性能。基于此问题，现阶段活性炭的改性处理大多从增加活性炭比表面积，或者接枝疏水性官能团来提高吸附性能，然而这种改性处理作用较为单一，且无法保证疏水性官能团接枝链、整体疏水结构的稳定性等，在应用上仍然存在局限。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种水处理用活性炭的制备方法，本发明通过采用蜂蜡和其他材料制备活性炭，并在炭化过程中形成具有非定域π电子体系的层状结构以增强其吸附能力，同时利用十二烷基硫酸钠和聚乙二醇对活性炭进行疏水性修饰和柔性长链接枝，增强其对疏水性有机污染物的吸附能力和循环稳定性，并通过丝素蛋白的β-折叠结构和戊二醛交联形成稳定的交缠网络，获得更高的比表面积和更发达的孔隙结构，提升活性炭的机械性能和耐久性，进一步改进其在水处理中的吸附效率和稳定性。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种水处理用活性炭的制备方法，所述制备方法包含如下步骤：

4、(1)将物料a清洗、干燥后，粉碎至100-200目后，于氮气氛围下进行炭化，得到炭化后的物料；

5、(2)将炭化后的物料、磷酸溶液混合搅拌20-30min后，离心取固体料，将固体料置于管式炉中活化，用去离子水洗涤，干燥，得到活化后的物料；

6、(3)将活化后的物料、十二烷基硫酸钠、过硫酸钾和去离子水混合后，于50-90℃下搅拌1-3h，用去离子水洗涤，干燥，得到产物a；

7、(4)将产物a、聚乙二醇、3-氨丙基三乙氧基硅烷、过硫酸钾和乙醇溶液混合后，于50-90℃下搅拌2-4h，用去离子水洗涤，干燥，得到产物b；

8、(5)将产物b、丝素蛋白悬液超声混合均匀后，加入无水乙醇，并滴加戊二醛溶液，于30-40℃下搅拌4-5h，离心，取固体，去离子水清洗，干燥，即到活性炭。

9、进一步地，所述步骤(1)中的物料a由物料b和蜂蜡按照质量比1.47-1.82:0.24-0.41组成；所述物料b选自椰壳、核桃壳、花生壳中的一种或以上；所述炭化步骤的参数为：炭化温度为500-700℃，炭化时间为6-10h。

10、进一步地，所述步骤(2)中的炭化后的物料、磷酸溶液的质量比为4-6:10-14；所述磷酸溶液的质量浓度为60-70wt％；所述离心步骤的参数为：25℃，离心转速为1000-3000rmp，离心时间为10-20min；所述管式炉活化步骤的参数为：活化温度为570-610℃，活化时间为1.5-2.5h。

11、进一步地，所述步骤(3)中的活化后的物料、十二烷基硫酸钠、过硫酸钾和去离子水的质量比为1.2-1.73:0.32-0.4:0.05-0.07:4.5-5.5。

12、进一步地，所述步骤(4)中的产物a、聚乙二醇、3-氨丙基三乙氧基硅烷、过硫酸钾和乙醇溶液的质量比为1.35-1.63:0.2-0.32:0.38-0.6:0.08-0.12:5-6；所述聚乙二醇的分子量为4000da；所述乙醇溶液的质量浓度为70-80wt％。

13、进一步地，所述步骤(5)中的产物b、丝素蛋白悬液和无水乙醇的质量比为1.2-1.6:2.5-3.7:8-10；所述戊二醛溶液的质量占无水乙醇的1.5-3wt％；所述超声处理的参数为：超声频率为30-50khz，超声功率为250-450w，超声温度为30-40℃；所述离心步骤的参数为：25℃，离心转速为6000-8000rmp，离心时间为20-30min。

14、进一步地，所述步骤(5)中的丝素蛋白悬液的制备方法为：

15、将丝素蛋白粉加入去离子水中，滴加柠檬酸缓冲溶液调节ph至4.5-5.5，在60-80℃、30-50rmp转速下搅拌均匀30-40min，加入司盘-80，在100-300rmp转速下搅拌的同时滴加戊二醛溶液，滴加结束后保持温度不变保温1-2h，得到丝素蛋白悬液。

16、进一步地，按质量百分比计，所述丝素蛋白粉的质量占丝素蛋白悬液的3-7wt％，所述司盘-80的质量占丝素蛋白悬液的0.8-1.6wt％，所述戊二醛溶液的质量占丝素蛋白悬液的1-2wt％；所述柠檬酸缓冲溶液的浓度为100-300mmol/l。

17、进一步地，所述戊二醛溶液的质量浓度均为0.1-0.3wt％，所述戊二醛溶液的滴加速度均控制为0.1-0.3ml/min。

18、本发明的有益效果：

19、(1)本发明采用蜂蜡和其他材料作为活性炭原料，炭化过程中，蜂蜡和其他材料的的高分子量有机前驱体经历热解，产生低分子量的碳骨架和挥发性组分的脱除，随着加热过程的持续，残留的碳原子倾向于重新排列成具有非定域π电子的层状结构，非定域π电子体系的存在为活性炭提供了额外的电子供体特性，借助π-π堆积作用增强了活性炭的吸附能力；此外，蜂蜡具有热稳定性和疏水性，其热稳定性有助于形成更均匀、稳定的碳骨架，其疏水性可能有助于形成更多的微孔和中孔，为磷酸溶液的渗透和活化提供更多机会，使得活化后的炭材料具有更高的比表面积和更发达的孔隙结构，为后续基团的接枝提供更多的活性位点，同时也增强了炭材料的吸附能力。

20、(2)本发明中的十二烷基疏水钠由亲水的头基和疏水的尾部组成，通过疏水作用和炭表面的含氧官能团结合，形成疏水性修饰层，疏水修饰层降低了水分子的吸附竞争，从而提高了炭材料对疏水性有机污染物的吸附能力；聚乙二醇的长链结构在炭材料孔隙中展开，孔隙中的动态移动可以改善孔隙内的流动性，有助于分子在孔隙中的扩散和传输，其含有的醚氧基可以防止活性炭表面过度疏水化，保持一定的亲水性，有助于活性炭在水中的分散性和稳定性，其分子链柔性使得活性炭在吸附和解吸过程中表现出更好的循环稳定性；而3-氨丙基三乙氧基硅烷在水中水解形成硅醇，其硅烷醇基与炭表面的羟基形成共价键，3-氨丙基三乙氧基硅烷的另一端含有氨基，与聚乙二醇的末端羟基形成共价键，使聚乙二醇接枝到炭材料表面，从而增加炭材料表面的疏水性和柔性。

21、(3)本发明中的丝素蛋白悬液中添加了司盘-80，热处理下丝素蛋白倾向于从不稳定且易溶于水的螺旋和非β-折叠形成相对有序、稳定的β-折叠结构，司盘-80能够降低水和疏水性物质之间的表面张力，促进该结构的转化，该结构中的氨基酸侧链提供了丰富的化学修饰位点，同炭材料表面接枝疏水基团和柔性长链通过戊二醛交联，通过相互作用和分子链之间的缠绕，有助于在复合材料中均匀分散、避免团聚，从而形成稳定的交缠网络，提高了活性炭的耐久性和抗断裂性等机械性能，进一步提高了活性炭再水处理中的吸附作用。