一种沸石活性炭复合材料及其制备方法和应用

本申请涉及活性炭改性领域，具体涉及一种沸石活性炭复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、挥发性有机物(vocs)排放控制和有效治理已经成为当前世界大气污染防治的重点工作。在vocs治理技术中，吸附法具有技术成熟、净化效率高、适用范围广、能耗小等优势，或单独使用、或与其他技术结合，已得到广泛应用。吸附净化技术的核心是吸附剂，活性炭和沸石作为vocs吸附净化中常用吸附剂，各有独特的优势，也存在难以克服的缺陷。vocs来源广泛、种类繁多，既有非极性或弱极性的烃类和芳香烃类化合物，也有极性的醇类、醛/酮类、脂肪酸类、卤代烃类化合物，实际工业源vocs废气往往是多种极性/非极性有机物的混合。采用沸石和活性炭分段填装或者分段净化技术，尽管会在一定程度上解决极性/非极性混合废气吸附净化的难题，但是工艺繁长、设备复杂。若能制备出vocs净化用活性炭-沸石分子筛复合吸附材料，则能有效解决工业源vocs废气吸附难的问题。

2、活性炭与沸石复合材料的制备已经研究了很长时间。从早期开始，活性炭、沸石通过粘合剂机械混合，然后成型得到它们的复合材料。近年来，农林废弃物被用于制备沸石/活性炭复合材料，如以粉煤灰、煤矸石、木纤维等为原料，将有机物经过碳化活化后转化为多孔碳，无机物则通过水热法合成沸石。这些方法存在的问题是:制备的复合材料机械强度低，易断裂；或者制备过程复杂，涉及碳化、活化和结晶，每个阶段受不同因素影响，相互制约；因此，复合材料的结构控制很难实现。rostami等提出了一种复合材料的制备方法，即以活性炭为载体，与水玻璃溶液混合，再进行水热反应得到沸石活性炭复合材料。制备过程虽然简单、快速，但对制备样品进行表征时发现，沸石和活性炭并没有结合形成具有两者特征的复合材料。此外，沸石种类众多，选取何种沸石分子筛与活性炭相匹配，是制备vocs净化用的沸石活性炭复合材料具有广谱、高效特性的基础。

技术实现思路

1、针对上述存在的局限性，本申请提出了一种沸石活性炭复合材料；其通过将季铵盐对活性炭表面进行改性，改变活性炭表面的电荷，使其中性或带正电，从而能够避免与带负电的沸石产生静电排斥；当改性活性炭表面带正电时，能够与沸石产生静电吸引从而相互结合，生成沸石活性炭复合材料，克服了背景技术中提到的不足和缺陷。

2、为实现上述目的，本申请采用了以下技术方案：

3、本申请的发明点是提供一种沸石活性炭复合材料，包括改性活性炭和沸石；所述改性活性炭包括季铵盐和活性炭；季铵盐位于活性炭的表面；沸石位于改性活性炭的表面。

4、可选地，所述沸石在沸石活性炭复合材料中的质量含量≥15％。

5、可选地，所述沸石的硅铝比≤30。

6、可选地，所述改性活性炭的等电荷点≥7；所述季铵盐在所述改性活性炭中的质量含量为1％～5％。

7、本申请的另一个发明点是，提供一种如上任一所述沸石活性炭复合材料的制备方法。

8、可选地，所述制备方法包括：(1)获得改性活性炭；(2)将改性活性炭与沸石合成液混合，结晶，得到所述沸石活性炭复合材料；所述沸石合成液包括强碱性氢氧化物或碱金属氧化物、硅源、铝源、水。

9、可选地，步骤(1)包括：将季铵盐溶液与活性炭混合，反应，得到改性活性炭。可选地，改性活性炭的加入量为沸石合成液的10～50wt％；结晶的条件为：温度80～200℃，时间≥4h。

10、可选地，步骤(2)包括：在沸石晶种的存在下，将改性活性炭与沸石合成液混合。

11、可选地，将沸石晶种分散于溶剂中，再加入改性活性炭，得到混合物i；将混合物i与沸石合成液混合。

12、本申请的另一个发明点是，提供一种如上任一所述沸石活性炭复合材料在吸附废气废水工艺中的应用，优选为在吸附vocs中的应用。

13、与现有技术相对比，本申请具有以下有益效果：

14、(1)本申请的沸石活性炭复合材料中，改性活性炭和沸石结合紧密，具有较高强度，且沸石含量较高，大部分位于改性活性炭表面，能够显著提高吸附效果，远远大于活性炭和沸石单独使用时的吸附性能。且该复合材料的燃点与活性炭相近，即不会降低复合材料的热稳定性。

15、(2)本申请通过将季铵盐对活性炭表面进行改性，通过季铵盐正电性和活性炭负电性的静电相互作用，靶向改变活性炭表面电荷分布，同时所携带的碳碳双键或三键打开，与活性炭表面的碳键合，形成稳定的改性活性炭，n+离子位于改性活性炭的外部，最终改变活性炭表面的电荷的带电性质，使其中性或带正电；沸石的合成是在碱性条件下进行的，而活性炭在碱性条件下带负电荷，通过季铵盐改性的活性炭在碱性条件下带有正电，在静电作用下能够吸引具有负电荷的沸石晶核，使得晶核装载在活性炭表面进行进一步结晶；当改性活性炭表面带正电时，能够与沸石产生静电吸引从而相互结合，在静电吸引作用下吸引大量沸石晶核附着在活性炭上，从而提高沸石对其的负载能力和负载均匀性，生成沸石活性炭复合材料，从而具有吸附vocs的广谱特性。

技术特征：

1.一种沸石活性炭复合材料，其特征在于，包括改性活性炭和沸石；

2.根据权利要求1所述的沸石活性炭复合材料，其特征在于，所述沸石在沸石活性炭复合材料中的质量含量≥15％。

3.根据权利要求1所述的沸石活性炭复合材料，其特征在于，所述沸石的硅铝比≤30。

4.根据权利要求1所述的沸石活性炭复合材料，其特征在于，所述改性活性炭的等电荷点≥7；所述季铵盐在所述改性活性炭中的质量含量为1％～5％。

5.一种根据权利要求1～4任一所述沸石活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，包括：(1)获得改性活性炭；(2)将改性活性炭与沸石合成液混合，结晶，得到所述沸石活性炭复合材料；

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)包括：将季铵盐溶液与活性炭混合，反应，得到改性活性炭。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，改性活性炭的加入量为沸石合成液的10～50wt％；结晶的条件为：温度80～200℃，时间≥4h。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)包括：在沸石晶种的存在下，将改性活性炭与沸石合成液混合。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，将沸石晶种分散于溶剂中，再加入改性活性炭，得到混合物i；将混合物i与沸石合成液混合。

10.权利要求1～4任一所述的沸石活性炭复合材料在吸附废气废水工艺中的应用。

技术总结
本申请提供了一种沸石活性炭复合材料及其制备方法和应用，沸石活性炭复合材料包括改性活性炭和沸石；所述改性活性炭包括季铵盐和活性炭；季铵盐位于活性炭的表面；沸石位于改性活性炭的表面。本申请通过将季铵盐对活性炭表面进行改性，改变活性炭表面的电荷；当改性活性炭表面带正电时，能够与沸石产生静电吸引从而相互结合，生成沸石活性炭复合材料，具有广谱吸附特性。

技术研发人员：梁鼎成,解强,于凤芹,刘缘,张蕊聪,刘金昌
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15