一种用于吸附油类污染物的纤维素炭气凝胶

1.本发明涉及油水分离技术领域，具体涉及一利纤维素炭气凝胶的制备以及其高疏水性和高吸附油类污染物和有机溶剂的应用。


背景技术：

2.随近年来，石油泄漏和有机溶剂污染物造成了严重的水污染，对环境和人类健康构成了严重威胁。处理石油污染的传统方法主要包括化学处理、物理吸附、生物修复和原位燃烧，其中物理吸附法具有成本低、效率高、环境友好等优点。迄今为止，多孔材料在油水分离方面得到了广泛关注，如膜、海绵、气凝胶、泡沫等。与其他材料相比，气凝胶材料具有丰富的多孔结构，是理想的吸附剂，能够有效吸附有机污染物和油类。
3.与无机材料相比，棉浆纤维素价格低廉，获取简单，以其为原料制备的气凝胶具有独特的生物相容性、生物降解性和亲水性，以及良好的可塑性和韧性。与其他疏水改性方法相比，直接碳化的炭气凝胶在不破坏其无毒无污染特性的同时，具有优异的吸油能力和可回收性。
4.如赵一帆等人用原纤维为原料，通过冷冻干燥，最后进行疏水改性处理，制备出一种吸油用原纤维素气凝胶。其制备方法工艺简捷，反应周期短，可实现循环使用且绿色环保，具有批量生产的前景。所制得的吸油用原纤维气凝胶材料静态水接触角为140-155
°
，饱和吸油量为 15-40g/g，可重复使用次数高于5次。张玉杰等人公开了一种有机化合物修饰的碳气凝胶，其利用水热-冷冻干燥法制备。这种有机化合物修饰的碳气凝胶吸油性能优良、化学稳定性好、机械强度高，且吸附有机物/油类持续使用时间长，对于有机物/油类泄漏的快速回收处理具有明显的优势。这种炭气凝胶对大部分油类和有机溶剂的吸附率在5～15g/g。
5.但是他们的产品依然存在如需对其进行硅烷化疏水改性，吸附效率低等问题，相比之下，我们所制备的纤维素炭气凝胶吸附效率高，吸附量大，操作简单，其溶剂可以回收利用，回收率在90％以上，绿色环保，适合大规模生产。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种用于油类污染物和有机溶剂吸附的纤维素炭气凝胶的制备方法，以简单的溶胶疑胶法制备纤维素水凝胶，经冷冻干燥和碳化后得到纤维素炭气凝胶，无需任何的繁琐操作即可制得用于油类污染物和有机溶剂的材料，制备得到的炭气凝胶应用于油类污染物处理中，具有极佳的处理效果。
7.一种用于吸附油类污染物的纤维基炭素气凝胶的制备方法，步骤如下：
8.(1)称取一定质量的氯化胆碱和葡萄糖于烧杯中，水浴加热搅拌1h～3h成透明液体，得到油葡萄糖和氯化胆碱形成的深共晶溶剂；
9.(2)将步骤(1)中的深共晶溶剂与一定量的nmmo
·
h2o混合，在一定温度下水浴加热搅拌至混合均匀，形成一种新的纤维素溶剂。
10.(3)将一定质量的棉浆纤维素和抗坏血酸与步骤(2)中制备的纤维素溶剂混合，放于双层玻璃反应釜中，在真空状态下加热搅拌0.5h～2h至成琥珀色黏稠液体；
11.(4)将步骤(3)得到的液体装入模具中，置于室温之下凝胶1～2d，待其凝固后放入去离子水中2～4d，直至步骤(2)中溶剂完全被水置换，得到的水凝胶。
12.(5)将步骤(4)中的水凝胶放在冷冻干燥机中干燥40～50h，最后在氩气气氛下的管式炉中以3～5℃/min加热一段时间使其碳化，得到纤维素炭气凝胶。
13.作为优选，步骤(1)中，氯化胆碱与葡萄糖的摩尔比2∶1。
14.作为优选，步骤(1)中，透明液体与nmmo
·
h2o的质量比为1∶9。
15.作为优选，步骤(2)中，纤维素质量为溶剂质量的2％。
16.作为优选，步骤(2)中，抗坏血酸质量为纤维素的2％。
17.作为优选，步骤(3)中，碳化温度为400～600℃。
18.一种根据上述的方法制备的用于油类污染物吸附的纤维素炭气凝胶，具有丰富的微孔结构，比表面积较大，加大的疏水角和优异的吸油能力。
19.将所述的用于油类污染物吸附的纤维素炭气凝胶应用于油类吸附，具有吸附速率快，吸附量大，无二次污染，易回收等优点。
20.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
21.本发明制备的吸附剂能够对液压油、泵油、丙酮、乙酸乙酯等油类污染物和有机溶剂进行有效吸附，有助于解决石油和有机溶剂泄漏以及油类污染物回收的问题。该方法是一种物理吸附过程，不涉及化学反应，因此具有制备成本低，操作简便，过程绿色环保，易回收等优点。具体体现在：
22.(1)具有较高的吸附容量，对油类、有机污染物均可以进行高效的吸附。
23.(2)具有效率高，易回收，制备原料来源广泛便捷，制备成本低廉的特点。
24.(3)制备工艺过程简单，对设备要求不高，易于实现工业化大批量生产，有效提高了对油类污染物的吸附量，保护生态环境。
附图说明
25.图1a、b、c为实施例1制备的纤维素气凝胶不同放大倍数的sem图。
26.图1d为实施例2制备的纤维素气凝胶的sem图。
27.图2为实施例4制备的纤维素炭气凝胶的疏水性能图。
28.图3为实施例4制备的纤维素炭气凝胶的吸附效果图。
具体实施方式
29.下面通过具体实施例对本发明进行详细说明，但此实施方式并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定。
30.实施例1
31.(1)将7.8433g匍萄糖和12.1567g氯化胆碱放入小烧杯中，80℃水浴加热搅拌2h；
32.(2)将步骤(1)中的深共晶溶剂与180g溶液状态nmmo
·
h2o混合搅拌30min。
33.(3)将6g纤维素和0.12g抗坏血酸与步骤(1)获得的溶剂混合，放入双层玻璃反应釜，在-0.1pa下80℃搅拌1h至琥珀色液体。
34.(4)将步骤(3)获得的溶液倒入模具中，并在室温下凝固1天，用去离子水溶解步骤 (2)制备的溶剂持续2d，将得到的水凝胶放在冷冻干燥机中2d得到纤维素气凝胶；
35.检测表明：制得的纤维素气凝胶几乎没有疏水性，对油类污染物和有机溶剂吸附能力很差，起不到油水分离的作用。
36.实施例2
37.(1)在80℃下，将200g nmmo
·
h2o溶解为液态。
38.(2)将6g纤维素和0.12g抗坏血酸与步骤(1)获得的溶剂混合，放入双层玻璃反应釜，在-0.1pa下100℃搅拌1.5h至琥珀色液体。
39.(3)将步骤(2)获得的溶液倒入模具中，并在室温下凝固1天，用去离子水溶解步骤 (1)中的nmmo
·
h2o持续2d，得到的纤维素水凝胶。
40.(4)放在冷冻干燥机中2d，最后将气凝胶放在氩气气氛下以5℃/min加热至450℃，保温2h，随炉冷却至室温得到纤维素。
41.检测表明：制得的纤维素炭气凝胶对油类污染物和有机溶剂具有极低吸附性能，疏水性很差，其5min吸附值约为2～3g/g，对油类吸附能力很差，起不到油水分离的作用。
42.实施例3
43.(1)将7.8433g葡萄糖和12.1567g氯化胆碱放入小烧杯中，80℃水浴加热搅拌2h；
44.(2)将步骤(1)中的深共晶溶剂与180g溶液状态nmmo
·
h2o混合搅拌30min。
45.(3)将6g纤维素和0.12g抗坏血酸与步骤(2)获得的溶剂混合，放入双层玻璃反应釜，在-0.1pa下80℃搅拌1h至琥珀色液体。
46.(4)将步骤(3)获得的溶液倒入模具中，并在室温下凝固1d，用去离子水溶解步骤(2) 制备的溶剂持续2d，得到的水凝胶.
47.(5)将步骤(4)中的纤维素水凝胶放在冷冻干燥机中干燥2d，得到纤维素气凝胶，最后将气凝胶放在氩气气氛下以5℃/min加热至450℃，保温2h，随炉冷却至室温得到纤维素。
48.检测表明：制得的用于油类污染物吸附的纤维素炭气凝胶对油类污染物和有机溶剂具有较高的吸附性能，其5min吸附值在16～20g/g，可用于油类吸附。
49.实施例4
50.(1)将7.8433g葡萄糖和12.1567g氯化胆碱放入小烧杯中，80℃水浴加热搅拌2h；
51.(2)将步骤(1)中的深共晶溶剂与180g溶液状态nmmo
·
h2o混合搅拌30min。
52.(3)将4g纤维素和0.8g抗坏血酸与步骤(2)获得的溶剂混合，放入双层玻璃反应釜，在-0.1pa下80℃搅拌至琥珀色液体。
53.(4)将步骤(3)获得的溶液倒入模具中，并在室温下凝固1d，用去离子水溶解步骤(2) 制备的溶剂持续2d，将得到的水凝胶放在冷冻干燥机中干燥2d，最后将气凝胶放在氩气气氛下以5℃/min加热至450℃，保温2h，随炉冷却至室温得到纤维素。
54.检测表明：制得的用于油类污染物吸附的纤维素炭气凝胶对油类污染物和有机溶剂具有较高的吸附性能，其5min吸附值在27～34g/g，可用于油类吸附。