一种用于去除水中三氯甲烷的炭材料的制备方法、所得炭材料及其应用与流程

本发明涉及改性活性炭，特别涉及一种用于吸附水中三氯甲烷的炭材料，还涉及其制备方法及应用。

背景技术：

1、自来水厂在净水处理过程中需要添加消毒剂以杀灭水中的致病微生物，而氯化消毒是国内大部分自来水厂采用的措施。但在消毒过程中，氯与水中的腐殖酸和富里酸发生复杂的物理化学反应，导致产生有毒有害的消毒副产物如三氯甲烷、卤乙酸等。为了去除水中三氯甲烷等消毒副产物，可通过物理方法包括膜法和活性炭吸附法，利用膜的尺寸筛分、电荷排斥或活性炭吸附等机制去除水体中的三氯甲烷。但活性炭对微量有机物的吸附容量和去除率并不高，因此一种针对性的去除自来水中微量有机物的高性能活性炭有待开发。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种对水中三氯甲烷具有高度吸附性的、安全的、可应用于饮用水处理的炭材料。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种用于去除水中三氯甲烷的炭材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

3、(1)硝酸改性

4、配置浓度为1.2-3.5mol/l的硝酸溶液，将活性炭充分浸泡在所述硝酸溶液中，得到硝酸改性的活性炭；

5、(2)含氮试剂改性

6、步骤(1)得到的硝酸改性的活性炭用去离子水彻底清洁并干燥后，投入到含氮试剂的饱和溶液中，充分反应，得到炭料-含氮试剂溶液混合物；

7、所述含氮试剂的饱和溶液是尿素的饱和水溶液、氯化铵的饱和水溶液或饱和氨水；

8、步骤(1)的活性炭与含氮试剂的饱和溶液的质量体积比为20-100g/l；

9、(3)高温处理

10、步骤(2)得到的炭料-含氮试剂溶液混合物持续加热至100-105℃直至得到结晶固体混合物，然后将所得结晶固体混合物置于气氛炉中在350-800℃下焙烧4-8h，得到改性炭料；

11、(4)后处理

12、步骤(3)得到的改性炭料经去离子水清洗并干燥后，得到用于去除水中三氯甲烷的炭材料。

13、活性炭是一种多孔炭吸附剂，它具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积、特异的表面官能团、稳定的物理化学性能，是优良的吸附材料。在本发明中，优选地，步骤(1)的活性炭的比表面积为600-1000g/cm2，孔体积为0.4-0.9cm3/g，介孔平均孔径为0.6-7.0nm。其中，选择较大的介孔孔径的活性炭材料将更有利于三氯甲烷的吸附去除。

14、可选地，这类高性能活性炭材料可以选自椰壳活性炭、杏壳活性炭、煤质活性炭或木质粉炭。

15、在本发明的制备方法中，步骤(2)的彻底清洁是为了彻底除去材料表面残余硝酸和灰尘粉末，因此可以先将步骤(1)得到的硝酸改性的活性炭用去离子水清洗，然后再在去离子水中煮沸4-6h，实现彻底清洁。

16、根据一种优选的实施方式，步骤(2)的充分反应是将硝酸改性的活性炭投入到含氮试剂的饱和溶液中，在速率10-200r/min条件下搅拌18-24h。

17、在本发明中，饱和氨水是指质量浓度为25％-28％氨水。

18、根据一种特别的优选实施方式，步骤(2)中，活性炭与含氮试剂的饱和溶液的质量体积比为50g/l。在该比例下，所得炭材料具有最高的吸附能力，去除时间短且吸附容量高，在三氯甲烷溶液浓度为0.3mg/l条件下，吸附容量在5.76mg/g以上，去除率在99.99％以上。

19、根据一种优选的实施方式，在步骤(3)中，焙烧时是在氮气气氛下进行的。

20、基于此，本发明还提供上述制备方法得到的炭材料在水净化中的应用。特别地，所述炭材料用于去除饮用水中的三氯甲烷。

21、本发明通过浸渍和高温焙烧将含氮溶液中的氮元素以结构氮和表面含氮官能团的形式负载于活性炭中，然后通过高温造成材料中的孔道坍塌，从而形成一种结构稳定、含氮量高且介孔平均孔径大的新型炭材料。经过实验验证，本发明的炭材料具有尺寸效应和电荷效应的协同作用，对水体中的三氯甲烷有很好的去除效果，适用于处理受其污染的饮用水，例如家庭终端饮用水的处理。

22、本发明的制备方法是通过物理机械搅拌、浸渍和高温焙烧处理实现的，其制备工艺简单，操作方便，而且没有使用强腐蚀性和对环境有污染的化学药剂，具有绿色环保，经济适用，能源节约等优点。

技术特征：

1.一种用于去除水中三氯甲烷的炭材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(1)的活性炭的比表面积为600-1000g/cm2，孔体积为0.4-0.9cm3/g，介孔平均孔径为0.6-7.0nm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(1)的活性炭选自椰壳活性炭、杏壳活性炭、煤质活性炭或木质粉炭。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(2)的彻底清洁是先将步骤(1)得到的硝酸改性的活性炭用去离子水清洗，然后再在去离子水中煮沸4-6h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(2)的充分反应是将硝酸改性的活性炭投入到含氮试剂的饱和溶液中，在速率10-200r/min条件下搅拌18-24h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(2)中，活性炭与含氮试剂的饱和溶液的质量体积比为50g/l。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(3)中，焙烧时是在氮气环境下进行的。

8.权利要求1-7中任一项权利要求所述的制备方法得到的炭材料在水净化中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于所述炭材料用于去除饮用水中的三氯甲烷。

技术总结
本发明提供一种用于去除水中三氯甲烷的炭材料的制备方法，首先用硝酸溶液充分浸泡活性炭，得到硝酸改性的活性炭，然后与含氮试剂的饱和溶液充分反应，得到炭料‑含氮试剂溶液混合物；其中，含氮试剂的饱和溶液是尿素的饱和水溶液、氯化铵的饱和水溶液或饱和氨水；所得混合物加热至得到结晶固体混合物，然后焙烧得到改性炭料。本发明的炭材料具有尺寸效应和电荷效应的协同作用，对水体中的三氯甲烷有很好的去除效果，适用于处理受其污染的饮用水。本发明的制备方法是通过物理机械搅拌、浸渍和高温焙烧处理实现的，其制备工艺简单，操作方便，而且没有使用强腐蚀性和对环境有污染的化学药剂，具有绿色环保，经济适用，能源节约等优点。

技术研发人员：孙广东,池荻,彭文娟,陈亦力,张佳敏,李锁定,杨心怡
受保护的技术使用者：北京碧水源膜科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14