一种用于吸附微塑料的磁性海绵炭及其制备方法和应用

本发明属于吸附材料，具体地，涉及一种用于吸附微塑料的磁性海绵炭及其制备方法和应用。

背景技术：

1、微塑料(mps)是一种广泛存在于土壤、水和大气中的难以降解的污染物，这一概念自2004年提出以来已引起全世界的关注。目前有研究显示在人类血管中发现了mps，其中聚苯乙烯(ps)的含量占总量的36％。尽管尚未有研究表明mps对人体的具体影响，但研究人员普遍认为mps对人体构成潜在威胁。因此，控制水中的mps势在必行。目前，从水中去除mps的常用技术包括絮凝沉淀、过滤、吸附和浮选，其中吸附技术因其成本低、去除性能好、实施难度低，被认为是从水中脱除mps最有前途的控制措施之一。

2、mps吸附剂主要包括多孔碳材料、海绵/气凝胶、金属氢氧化物、沸石和金属有机骨架(mofs)。磁性碳材料由于其高吸附效率和便于磁分离的优点，近年来被广泛应用于mps的去除。singh等人制备的铁改性磁性生物炭在三种纳米塑料上表现出优异的吸附性能，吸附容量高达290mg/g(singh n,khandelwal n,ganie z a,et al.eco-friendly magneticbiochar:an effective trap for nanoplastics of varying surface functionalityand size in the aqueous environment[j].chemical engineering journal,2021,418:129405.)。与之类似地，mg/zn改性磁性生物炭对mps也具有良好的吸附性能，最大吸附容量为226mg/g(wang j,sun c,huang q x,et al.adsorption and thermal degradation ofmicroplastics from aqueous solutions by mg/zn modified magnetic biochars[j].journal of hazardous materials,2021,419:126486.)。然而该材料达到饱和吸附需要60min，这将严重阻碍其进一步的应用。除了磁性生物炭外，磁性碳纳米管对mps也具有良好的吸附性能。用fecl3·6h2o改性的商用碳纳米管在5g/l的mps溶液中的吸附容量高达1650mg/g(tang y,zhang s,su y,et al.removal of microplastics from aqueoussolutions by magnetic carbon nanotubes[j].chemical engineering journal,2021,406:126804.)。然而，该材料需要300min才能吸附饱和，其吸附速率非常低。

技术实现思路

1、为了解决用于微塑料吸附的磁性碳材料普遍存在吸附容量低和吸附速率慢的技术问题，本发明旨在开发出具有更好mps吸附性能的磁性碳材料，特别是具有优异mps吸附动力学特性的磁性碳。为此，本发明采用的技术方案如下：

2、本发明第一方面提供一种用于吸附微塑料的磁性海绵炭的制备方法，包括以下步骤：

3、s1，将100重量份三聚氰胺加入至800～1000重量份去离子水中，搅拌至完全分散，

4、s2，加入2～3重量份氨基葡萄糖盐酸盐和2～3重量份磁性金属的盐，在90～95℃油浴中搅拌至水分完全蒸发；

5、s3，混合物经研磨后，在惰性气体气氛下，以1～5℃/min的升温速率将温度升高至580～650℃并保持40～75min；再以1～5℃/min将温度继续升高至850～1000℃并维持40～75min；

6、s4，用去离子水洗涤8～16h，过滤并干燥，即得到所述用于吸附微塑料的磁性海绵炭。

7、在本发明中，微塑料，指直径小于5mm的塑料颗粒。

8、在本发明中，氨基葡萄糖盐酸盐为碳源，三聚氰胺为活化剂，以此制备磁性海绵炭。若选择葡萄糖作为碳源，和/或选择碳酸钾、碳酸钠、碳酸氢钾或碳酸氢钠作为活化剂，均会导致制备得到的磁性海绵炭的吸附性能下降30％以上。

9、在本发明的一些实施方案中，所述磁性金属为铁、钴或镍。在用于吸附微塑料的海绵炭中掺入磁性金属，使用能够利用磁体进行分离，吸附操作更加方便。

10、在本发明的一些实施方案中，所述磁性金属的盐是指磁性金属的盐酸盐、溴酸盐、硝酸盐、硫酸盐、或磷酸盐。在本发明的一些实施方案中，所述磁性金属的盐为所述磁性金属的盐的水合物。在本发明的一些具体实施方案中，所述磁性金属的盐为九水硝酸铁；在本发明的另一些具体实施方案中，所述磁性金属的盐为六水硝酸钴。

11、在本发明的一些实施方案中，步骤s3中，所述惰性气体选自氮气、二氧化碳气体、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氡气中至少一种。

12、在本发明的一些实施方案中，步骤s3中，混合物经研磨后，在氮气气氛下，以3℃/min的升温速率将温度升高至600℃并保持60min；再以3℃/min将温度继续升高至900℃并维持60min。在本发明的一些具体实施方案中，氮气流量为100ml/min。

13、本发明第二方面提供本发明第一方面任一所述的制备方法制备得到的磁性海绵炭。

14、本发明第三方面提供一种吸附液体样本中微塑料的方法，包括利用本发明第二方面所述磁性海绵炭即本发明第一方面任一所述的制备方法制备得到的磁性海绵炭进行吸附的步骤。

15、在本发明的一些实施方案中，将所述磁性海绵炭加入至所述液体样本中，翻转条件下吸附8～20min，利用磁体将所述磁性海绵炭与所述液体样本进行分离。

16、本发明的有益效果

17、相对于两大有技术，本发明具有以下有益效果：

18、本发明制备的femsc可在10min内吸附饱和，在200mg/l的聚苯乙烯(ps)溶液中吸附量高达369.07mg/g，吸附速率和吸附容量均高于现有技术。此外，femsc还具有较强的抗外部干扰的性能。除强碱性条件外，femsc在其他ph范围内和不同水质下均表现出良好的吸附性能。

19、本发明以氨基葡萄糖盐酸盐为碳源，三聚氰胺为活化剂制备磁性海绵炭，制备工艺简单，环境友好，且所制备的磁性海绵炭结构蓬松多孔，磁性强度高，在保证具有优异的吸附性能的情况下，还可以快速的从液体样本中分离，具有非常广泛的应用价值。

技术特征：

1.一种用于吸附微塑料的磁性海绵炭的制备方法，其特征在于，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，所述磁性金属为铁、钴或镍。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磁性金属的盐是指磁性金属的盐酸盐、溴酸盐、硝酸盐、硫酸盐、或磷酸盐。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磁性金属的盐为所述磁性金属的盐的水合物。

5.根据权利要求1～4任一所述的制备方法，其特征在于，所述惰性气体选自氮气、二氧化碳气体、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氡气中至少一种。

6.根据权利要求1～4任一所述的制备方法，其特征在于，步骤s3中，混合物经研磨后，在惰性气体气氛下，以3℃/min的升温速率将温度升高至600℃并保持60min；再以3℃/min将温度继续升高至900℃并维持60min。

7.权利要求1～6任一所述的制备方法制备得到的磁性海绵炭。

8.一种吸附液体样本中微塑料的方法，其特征在于，包括利用权利要求7所述磁性海绵炭进行吸附的步骤。

9.根据权利要求8所述的一种吸附液体样本中微塑料的方法，其特征在于，将所述磁性海绵炭加入至所述液体样本中，翻转条件下吸附8～20min，利用磁体将所述磁性海绵炭与所述液体样本进行分离。

技术总结
本发明公开了一种用于吸附微塑料的磁性海绵炭及其制备方法和应用，属于吸附材料技术领域。本发明以氨基葡萄糖盐酸盐为碳源，三聚氰胺为活化剂制备磁性海绵炭，制备工艺简单，环境友好，且所制备的磁性海绵炭结构蓬松多孔对微塑料吸附效果好，以聚苯乙烯(PS)为例开展的吸附实验表明该材料对微塑料的吸附速率和吸附容量均优于现有技术，并且具有较强的抗外部干扰的性能。此外，本发明的磁性海绵炭磁性强度高，在保证具有优异的吸附性能的情况下，还可以快速的从液体样本中分离，具有非常广泛的应用价值。

技术研发人员：汤明慧,李宏宪,陆胜勇,刘祺,严建华
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13