一種用農林廢棄物製備生物質磁性碳微球的方法與流程
2023-06-06 17:46:16 1
本發明涉及一種製備磁性碳微球的方法。
背景技術：
隨著社會的發展，人們對於能源和資源的需求越來越多，然而傳統的礦物與化石燃料資源已經不足以維持社會的發展，人們將關注的目光投向自然界儲量巨大，而且可再生的生物質資源。其中農林廢棄物備受人們的關注，每年都有大量的農林廢棄物被生產出來，被丟棄從而造成了大量資源的浪費，而且不當的處理會造成大量的汙染，如果可以將這些農林廢棄物轉化成產品就可以為社會可持續發展做出極大的貢獻。
水汙染已經成為人類不得不面對的生死攸關的問題，油品洩漏是其中之一。自人類開始使用石油，石油洩露的問題屢屢出現。石油中所含苯和甲苯等有毒化合物洩漏入海洋後，這些有毒化合物也迅速進入了食物鏈，從低等的藻類、到高等哺乳動物，無一能倖免。通過活性炭對石油進行吸附，處理石油洩漏問題是解決辦法之一。但現有的活性炭製備存在以下幾方面不足：(1)製備過程中加入酸鹼等催化劑，對設備有腐蝕，同時造成大量汙染；(2)製備流程複雜，生產成本高；(3)大部分優質活性炭的原料是木材和煤炭；(4)製備的活性炭吸附後回收困難。
技術實現要素：
本發明是為了解決目前活性炭製備對設備有腐蝕、造成汙染、製備複雜，生產成本高、回收困難的技術問題，而提供一種用農林廢棄物製備生物質磁性碳微球的方法。
本發明的一種用農林廢棄物製備生物質磁性碳微球的方法是按以下步驟進行的：
一、製備農林廢棄物粉末：將農林廢棄物清洗乾淨並切成塊體，在溫度為70℃～105℃的條件下乾燥6h～24h，然後用粉碎機將乾燥的塊體農林廢棄物粉碎成30目～300目的農林廢棄物粉末；
二、①、將農林廢棄物粉末加入到離子液體中，在溫度為60℃～100℃的條件下攪拌4h～24h，過濾收集全部濾液，向全部濾液中加入表面活性劑、fe3o4磁性粒子和稀釋劑，然後在溫度為40℃～60℃的條件下攪拌4h～24h，得到混合液；
②、將混合液倒入帶有針頭的注射器中，用注射器向溶劑a中注射混合液，在溶劑a中形成多個球狀顆粒，在溶劑a中收集球狀顆粒；
③、將球狀顆粒浸泡在溶劑b中1h～2h，在溶劑b中收集球狀顆粒；
④、將步驟二③重複操作3次～5次，得到水凝膠球；
所述的農林廢棄物粉末和離子液體的質量比為(1～15):100；所述的離子液體和表面活性劑的質量比為50:(1～5)；所述的離子液體和fe3o4磁性粒子的質量比為50:(1～10)；所述的離子液體和稀釋劑的質量比為5:(3～10)；所述的針頭的尺寸是0.45mm×15mm；
三、將步驟二製備的水凝膠球在溫度為15℃～50℃的條件下乾燥4h～12h，然後在惰性氣體保護下以3℃/min～10℃/min的升溫速率從室溫升溫至500℃～1000℃，在惰性氣體保護和溫度為500℃～1000℃的條件下碳化1h～3h，在惰性氣體保護下隨爐冷卻，得到生物質磁性碳微球。
本發明是利用富含纖維素的農林廢棄物作為原料，用綠色環保的溶劑離子液體，並向其中加入表面活性劑和磁性粒子，滴入溶劑中成形後經過洗滌、乾燥、然後在惰性氣體中碳化處理，最後獲得生物質磁性碳微球。
本發明的優點是：本發明使用農林廢棄物作為原料，其本身是可再生資源而且原料廉價易得，這是變廢為寶；選擇離子液體作為溶劑，綠色環保可以重複使用；從生物質提取到產品成形過程一步完成，無需生物質析出再溶解過程，簡易方便；產品呈球形，易於使用；產品中添加有磁性粒子可以重複使用。
本發明的製備方法具有良好的操作性，既可以對農林廢棄物進行資源再利用，又可以用產品解決水汙染問題。
附圖說明
圖1為試驗一步驟二製備的水凝膠球生物質磁性碳微球的實物照片；
圖2為試驗一製備的生物質磁性碳微球的實物照片；
圖3為試驗一製備的生物質磁性碳微球的低倍數掃描電鏡照片；
圖4為試驗一製備的生物質磁性碳微球的高倍數掃描電鏡照片。
具體實施方式
具體實施方式一：本實施方式為一種用農林廢棄物製備生物質磁性碳微球的方法，具體是按以下步驟進行的：
一、製備農林廢棄物粉末：將農林廢棄物清洗乾淨並切成塊體，在溫度為70℃～105℃的條件下乾燥6h～24h，然後用粉碎機將乾燥的塊體農林廢棄物粉碎成30目～300目的農林廢棄物粉末；
二、①、將農林廢棄物粉末加入到離子液體中，在溫度為60℃～100℃的條件下攪拌4h～24h，過濾收集全部濾液，向全部濾液中加入表面活性劑、fe3o4磁性粒子和稀釋劑，然後在溫度為40℃～60℃的條件下攪拌4h～24h，得到混合液；
②、將混合液倒入帶有針頭的注射器中，用注射器向溶劑a中注射混合液，在溶劑a中形成多個球狀顆粒，在溶劑a中收集球狀顆粒；
③、將球狀顆粒浸泡在溶劑b中1h～2h，在溶劑b中收集球狀顆粒；
④、將步驟二③重複操作3次～5次，得到水凝膠球；
所述的農林廢棄物粉末和離子液體的質量比為(1～15):100；所述的離子液體和表面活性劑的質量比為50:(1～5)；所述的離子液體和fe3o4磁性粒子的質量比為50:(1～10)；所述的離子液體和稀釋劑的質量比為5:(3～10)；所述的針頭的尺寸是0.45mm×15mm；
三、將步驟二製備的水凝膠球在溫度為15℃～50℃的條件下乾燥4h～12h，然後在惰性氣體保護下以3℃/min～10℃/min的升溫速率從室溫升溫至500℃～1000℃，在惰性氣體保護和溫度為500℃～1000℃的條件下碳化1h～3h，在惰性氣體保護下隨爐冷卻，得到生物質磁性碳微球。
本實施方式的步驟二中用注射器向溶劑a中注射混合液時，每注射一滴混合液就能在溶劑a中得到一個球狀顆粒，所以需要滴加混合液的量根據實際需要來確定；溶劑a的量只要能夠容納球狀顆粒即可，不做特殊要求。
具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：步驟一中所述的農林廢棄物為富含纖維素的產品廢料。其它與具體實施方式一相同。
具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式二不同的是：所述的富含纖維素的產品廢料為花生殼、瓜子殼、玉米秸稈、水稻秸稈、木屑、樹枝、一次性筷子或廢紙。其它與具體實施方式二相同。
具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一不同的是：步驟二中所述的fe3o4磁性粒子的製備方法是：
將4mmol的無水fecl3加入到50ml的二甘醇中，攪拌40min～50min形成澄清溶液，然後加入1.6mmol的檸檬酸三鈉，加熱至80℃並攪拌30min形成澄清溶液，然後加入12.0mmol的無水乙酸鈉再攪拌30min，然後轉移至聚四氟乙烯內襯的不鏽鋼高壓釜中進行密封，將高壓釜在240℃下保溫6h，得到fe3o4納米磁性粒子。其它與具體實施方式一相同。
具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一不同的是：步驟二中所述的離子液體中陽離子為1-乙基-3-甲基咪唑、1-丁基-3-甲基咪唑或1-烯丙基-3-甲基咪唑，陰離子為f1-、cl1-、br1-、bf41-、pf61-或oac1-。其它與具體實施方式一相同。
具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一不同的是：步驟二中所述的表面活性劑為十六烷基三甲基氯化銨、十六烷基三甲基溴化銨、嵌段聚合物p123或嵌段聚合物f127。其它與具體實施方式一相同。
具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一不同的是：步驟二中所述的稀釋劑為二甲基亞碸，n,n-二甲基甲醯胺或n,n-二甲基乙醯胺。其它與具體實施方式一相同。
具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式一不同的是：步驟二中所述的溶劑a為甲醇、乙醇、丙酮和三氯甲烷中的一種或幾種的混合物，溶劑b與溶劑a相同。其它與具體實施方式一相同。
具體實施方式九：本實施方式與具體實施方式一不同的是：步驟二中所述的惰性氣體為氮氣或氬氣。其它與具體實施方式一相同。
通過以下試驗驗證本發明的效果：
試驗一：本試驗為一種用農林廢棄物製備生物質磁性碳微球的方法，具體是按以下步驟進行的：
一、製備農林廢棄物粉末：將農林廢棄物清洗乾淨並切成塊體，在溫度為90℃的條件下乾燥12h，然後用粉碎機將乾燥的塊體農林廢棄物粉碎成100目的農林廢棄物粉末；
二、①、將農林廢棄物粉末加入到離子液體中，在溫度為80℃的條件下攪拌6h，過濾收集全部濾液，向全部濾液中加入表面活性劑、fe3o4磁性粒子和稀釋劑，然後在溫度為50℃的條件下攪拌12h，得到混合液；
②、將混合液倒入帶有針頭的注射器中，用注射器向溶劑a中注射混合液，在溶劑a中形成多個球狀顆粒，在溶劑a中收集球狀顆粒；
③、將球狀顆粒浸泡在溶劑b中1h，在溶劑b中收集球狀顆粒；
④、將步驟二③重複操作3次，得到水凝膠球；
所述的農林廢棄物粉末和離子液體的質量比為1:10；所述的離子液體和表面活性劑的質量比為10:1；所述的離子液體和fe3o4磁性粒子的質量比為50:3；所述的離子液體和稀釋劑的質量比為1:1；所述的針頭的尺寸是0.45mm×15mm；
三、將步驟二製備的水凝膠球在溫度為15℃的條件下乾燥8h，然後在惰性氣體保護下以5℃/min的升溫速率從室溫升溫至750℃，在惰性氣體保護和溫度為750℃的條件下碳化1h，在惰性氣體保護下隨爐冷卻，得到生物質磁性碳微球。
步驟一中所述的農林廢棄物為富含纖維素的產品廢料，為花生殼；
步驟二中所述的fe3o4磁性粒子的製備方法是：
將4mmol的無水fecl3加入到50ml的二甘醇中，攪拌40min～50min形成澄清溶液，然後加入1.6mmol的檸檬酸三鈉，加熱至80℃並攪拌30min形成澄清溶液，然後加入12.0mmol的無水乙酸鈉再攪拌30min，然後轉移至聚四氟乙烯內襯的不鏽鋼高壓釜中進行密封，將高壓釜在240℃下保溫6h，得到fe3o4納米磁性粒子。
步驟二中所述的離子液體中陽離子為1-乙基-3-甲基咪唑，陰離子為f1-；
步驟二中所述的表面活性劑為嵌段聚合物p123；
步驟二中所述的稀釋劑為n,n-二甲基甲醯胺；
步驟二中所述的溶劑a為乙醇，溶劑b與溶劑a相同；
步驟二中所述的惰性氣體為氮氣。
圖1為試驗一步驟二製備的水凝膠球生物質磁性碳微球的實物照片，從圖中可以看出製備的凝膠微珠大小較為均一，球形均勻，顏色棕黃，這是由於其中含有fe3o4磁性粒子的緣故。
圖2為試驗一製備的生物質磁性碳微球的實物照片，從圖中可以看出試驗一製備的碳微球大小較為均一，球形均勻。
圖3為試驗一製備的生物質磁性碳微球的低倍數掃描電鏡照片，從圖中可以看出試驗一製備的碳球具有一定的孔結構。
圖4為試驗一製備的生物質磁性碳微球的高倍數掃描電鏡照片，圖中可以看出試驗一製備的碳球內有許多微小的顆粒，這些顆粒是四氧化三鐵磁性粒子，磁性粒子在碳球內均勻分布。