一種鹽地鹼蓬基多孔炭及其應用的製作方法

2023-07-11 02:57:22 2

本發明涉及鹽生植物高值利用以及生物炭基電極材料製備與應用技術領域，具體是一種鹽地鹼蓬基多孔炭及其應用。

背景技術：

電容去離子技術由於具有能耗低、脫鹽效率高及無二次汙染等特點，是一種具有較好發展前景的海水、苦鹹水淡化技術。電容去離子的基本技術思路是在電極兩側施加一定電壓，電極表面形成1-10nm厚的雙電層，當含鹽廢水進入到電吸附裝置中時，水中的陰陽離子或其他帶電的粒子就會向與電極極性相反的方向移動，被雙電層吸附。

影響電容去離子性能的關鍵是電極材料的選擇。電極材料的選擇必須滿足以下條件：具有比較高的比表面積，導電和極化性能較好，與溶液只發生吸附作用，而不發生任何化學反應。電極活性物質一般為炭材料，研究較多的有活性炭、碳纖維、碳布、碳氣凝膠、碳納米管、石墨烯等，活性炭以其較為低廉的價格和穩定的性能仍然是目前實用型電極炭材料的主流。但傳統商業活性炭存在介孔分布較少和親水性較差等缺點，限制了在電容脫鹽過程中離子在電極上的擴散與傳輸，需要通過一系列的物理、化學或協同活化手段來進一步定向調控孔徑分布，形成多孔炭結構。

生物質廢棄物用於製備多孔炭已有很多專利報導。如中國專利CN 201410226474.8提供了一種石墨烯三維分級多孔炭材料的製備方法：將椰殼、棕櫚殼和杏殼破碎後經EDTA預處理、酸性H2O2溶液活化、高溫炭化以及複合活化可製得石墨烯三維分級多孔炭材料；中國專利CN 201410447951.3則公開了一種簡單快速製備稻殼基多孔炭/二氧化矽複合材料的方法：稻殼清理後粉碎成粒徑20～80目後，與磷酸溶液混合併在400～600℃下處理20～90min，熱水洗滌後即得成品。中國專利CN 201110303431.1公開了一種生物質氣化-活化聯用除焦及活性多孔炭材料的製備方法。

江蘇東部海塗溼地面積佔全國海塗面積的14.3％，鹽生植物資源豐富。其中，鹽地鹼蓬是江蘇沿海一線從蘇魯交界的繡針河口到長江口1000多公裡的平原海岸淤灘上的優勢物種。鹽地鹼蓬作為一種一年生草本積鹽植物，是世界上含鹽量最高的草本植物之一，已見利用鹽地鹼蓬生產開發植物鹽的報導，但目前利用鹽地鹼蓬炭化製備多孔炭材料還尚未見報導。

技術實現要素：

本發明針對現有多孔活性炭原料及其製備方法存在不足，提供一種價格低廉、環保，以鹽生植物鹽地鹼蓬為原料製備多孔炭的方法，通過簡單快速的方法製備多孔炭，充分利用了鹽生植物鹽地鹼蓬的同時獲得了高附加值材料，並將製得的鹽地鹼蓬基多孔炭應用於電容去離子。

本發明通過以下技術方案來實現：

一種鹽地鹼蓬基多孔炭，它是通過以下方法製備得到：採集成熟期的鹽地鹼蓬，清水洗淨，自然曬乾至水分含量低於12～15％，粉碎至150-200目；然後在惰性氣體保護下，以一定的升溫速率升至一定的活化溫度，恆溫保持120～240min；活化後的樣品自然冷卻後，熱混酸充分除雜，再用熱的去離子水清洗至pH值為6.8～7.2(優選7.0)，乾燥得鹽地鹼蓬基多孔炭。

作為優選方案，以上所述鹽地鹼蓬，採自沿海灘涂，成熟期採摘，自然曬乾後植株中鹽分含量要求為：鈉含量高於2.5mg/g，鉀含量高於3.0mg/g。

作為優選方案，以上所述以一定的升溫速率升至一定的活化溫度，升溫速率控制在10～15℃/min。

升溫速率的篩選試驗：

採集成熟期的鹽地鹼蓬，清水洗淨，自然曬乾至水分含量低於12～15％，粉碎至150-200目；然後在惰性氣體保護下，分別8、10、12、15及20℃/min的升溫速率升至700℃，恆溫保持180min；活化後的樣品自然冷卻後，熱混酸充分除雜，再用熱的去離子水清洗至pH值為7.0，乾燥得鹽地鹼蓬基多孔炭。分別檢測所獲得多孔炭材料的SEM圖及N2吸附-脫附等溫線並計算比表面積，結果表明，10～15℃/min的升溫速率下，鹽地鹼蓬基多孔炭孔隙結構發達、分布均勻，比表面積大於700m2/g。因此，本發明選擇的升溫速率控制為10～15℃/min。

作為優選方案，以上所述以一定的升溫速率升至一定的活化溫度，活化溫度控制區間為600～800℃。

活化溫度的篩選試驗：

採集成熟期的鹽地鹼蓬，清水洗淨，自然曬乾至水分含量低於12～15％，粉碎至150-200目；然後在惰性氣體保護下，12℃/min的升溫速率分別升至500、600、700、800及900℃，恆溫保持180min；活化後的樣品自然冷卻後，熱混酸充分除雜，再用熱的去離子水清洗至pH值為7.0，乾燥得鹽地鹼蓬基多孔炭。分別檢測所獲得多孔炭材料的SEM圖及N2吸附-脫附等溫線並計算比表面積，結果表明，活化溫度為600～800℃的條件下，鹽地鹼蓬基多孔炭孔隙結構發達、分布均勻，比表面積大於700m2/g。因此，本發明選擇的活化溫度控制為600～800℃。

作為優選方案，以上所述熱混酸充分除雜，混酸中含鹽酸10～12％、氫氟酸6～8％，混酸洗液溫度控制為50～70℃。

混酸除雜的篩選試驗：

採集成熟期的鹽地鹼蓬，清水洗淨，自然曬乾至水分含量低於12～15％，粉碎至150-200目；然後在惰性氣體保護下，12℃/min的升溫速率分別升至700℃，恆溫保持180min；活化後的樣品自然冷卻後，分別用含8、10、12及14％的鹽酸及7％的氫氟酸組成的溫度為60℃混酸充分除雜，再用熱的去離子水清洗至pH值為7.0，乾燥得鹽地鹼蓬基多孔炭。所得多孔炭的表徵結果表明，鹽酸含量10～12％的條件下，鈉、鉀元素去除較為完全，多孔炭孔隙結構發達。

採集成熟期的鹽地鹼蓬，清水洗淨，自然曬乾至水分含量低於12～15％，粉碎至150-200目；然後在惰性氣體保護下，12℃/min的升溫速率分別升至700℃，恆溫保持180min；活化後的樣品自然冷卻後，分別用含12％的鹽酸及5、6、7、8及9％的氫氟酸組成的溫度為60℃混酸充分除雜，再用熱的去離子水清洗至pH值為7.0，乾燥得鹽地鹼蓬基多孔炭。所得多孔炭的表徵結果表明，氫氟酸含量6～8％的條件下，矽元素去除較為完全，多孔炭孔隙結構發達。

採集成熟期的鹽地鹼蓬，清水洗淨，自然曬乾至水分含量低於12～15％，粉碎至150-200目；然後在惰性氣體保護下，12℃/min的升溫速率分別升至700℃，恆溫保持180min；活化後的樣品自然冷卻後，分別用含12％的鹽酸及7％的氫氟酸組成的溫度為40、50、60、70及80℃混酸充分除雜，再用熱的去離子水清洗至pH值為7.0，乾燥得鹽地鹼蓬基多孔炭。所得多孔炭的表徵結果表明，熱酸溫度50～70℃的條件下，酸揮發損失小且鹽分去除較為完全，多孔炭孔隙結構發達。

因此，本發明選擇的混酸中含鹽酸10～12％、氫氟酸6～8％，混酸洗液溫度控制為50～70℃。

本發明製備得到的鹽地鹼蓬基多孔炭材料，孔隙結構發達、分布均勻，由大量的微孔和中孔組成。比表面積大於700m2/g，平均孔徑為3.2～3.8nm。

本發明所述的鹽地鹼蓬基多孔炭在製備多孔炭電極中的應用，可以通過以下步驟實現：將鹽地鹼蓬基多孔炭材料與乙炔黑及聚四氟乙烯按一定的質量比混合均勻，加入到乙醇分散劑中，超聲分散至分布均勻；然後均勻的塗抹在石墨板上，105℃下過夜烘乾即得多孔炭電極。

作為優選方案，以上所述的鹽地鹼蓬基多孔炭在製備多孔炭電極中的應用，鹽地鹼蓬基多孔炭材料、乙炔黑和聚四氟乙烯的質量比為8:1:1。

一種鹽地鹼蓬基多孔炭的電容去離子應用，可以通過以下步驟實現：將上述製備的鹽地鹼蓬基多孔炭材料與乙炔黑及聚四氟乙烯按一定的質量比混合均勻，加入到乙醇分散劑中，超聲分散至分布均勻。均勻的塗抹在石墨板上，105℃下過夜烘乾即得多孔炭電極。取兩塊質量一樣的多孔炭電極，中間用大小相同的塑料網隔開，電極兩端用導線與直流電源相接，注入待去離子溶液成電容器單體。

本發明和現有技術相比的優點和有益效果是：

鹽生植物鹽地鹼蓬富含鹽分，本發明採用「一步炭化」加「一步原位鹽分騰空」的技術，利用高含鹽植物炭化後鹽分雜質的去除而留下的豐富孔隙實現了孔徑尺寸和分布的調控，製備得到孔隙結構豐富、分布均勻的多孔炭材料，鹽地鹼蓬基多孔炭作為電極活性材料在電容去離子應用表現出了優異的性能。本發明原料來源豐富，工業可操作性強，可實現非農業競爭性資源的高值化綜合利用，具有重要的社會意義、經濟價值和環境保護效益。

附圖說明

圖1為本發明按照實施例製備的產品的SEM圖

圖2為本發明按照實施例製備的產品的N2吸附-脫附等溫線

圖3為本發明按照實施例電容去離子應用中不同價態陽離子溶液的循環伏安圖

圖4為本發明按照實施例電容去離子應用中不同電流密度下的充放電圖

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。然而，本領域的技術人員容易理解，實施例中所描述的具體的物料配比、工藝條件及其結果僅用於說明本發明，而不應當也不會限制權利要求書中所詳細描述的本發明。

實施例1

一種鹽地鹼蓬基多孔炭，它是通過以下方法製備得到：

(1)2015年12月上旬，採集成熟期的鹽地鹼蓬，清水洗淨，自然曬乾至水分含量為10％，粉碎至150目。經測定，鹽地鹼蓬植株中鈉含量為2.67mg/g，鉀含量為3.24mg/g。

(2)稱取20g的鹽地鹼蓬粉置於管式爐中，氮氣保護下，以12℃/min的升溫速率升至700℃，恆溫保持180min。

(3)在保持通氮氣的條件下自然冷卻至室溫，用500mL的60℃的混酸(含鹽酸10％、氫氟酸7％)分三次振蕩洗滌，每次30min。濾後，用熱的去離子水清洗至pH值為7.0(無氯離子檢出)，乾燥得鹽地鹼蓬基多孔炭材料。所得鹽地鹼蓬基多孔炭材料孔隙結構發達、分布均勻，由大量的微孔和中孔組成。比表面積為704m2/g，平均孔徑為3.4nm。

檢測上述鹽地鹼蓬基多孔炭材料的SEM圖及N2吸附-脫附等溫線見附圖1和附圖2。

實施例2

鹽地鹼蓬基多孔炭的電容去離子應用。將上述實施例1製備的鹽地鹼蓬基多孔炭材料與乙炔黑及聚四氟乙烯按8:1:1的質量比混合均勻，加入到乙醇分散劑中，超聲分散至分布均勻。均勻的塗抹在石墨板上，105℃下過夜烘乾即得多孔炭電極。然後取兩塊質量一樣的多孔炭電極，中間用大小相同的塑料網隔開，電極兩端用導線與直流電源相接，注入待去離子溶液成電容器單體。0.5mol/L的氯化鈉、氯化鈣及三氯化鐵溶液中，鹽地鹼蓬基多孔炭的比電容分別為88F/g、94F/g及112F/g。1mol/L的氯化鈉溶液中，測試電壓範圍-0.5～0.5V條件下，鹽地鹼蓬基多孔炭電極在不同電流密度下的恆流充放電圖呈現完全對稱的三角形形狀，多次循環後，形狀仍保持不變，具有良好的雙電層特徵。

電容去離子應用中不同價態陽離子溶液的循環伏安圖見附圖3。電容去離子應用中不同電流密度下的充放電圖見附圖4。

實施例3

一種鹽地鹼蓬基多孔炭，它是通過以下方法製備得到：

(1)2015年12月上旬，採集成熟期的鹽地鹼蓬，清水洗淨，自然曬乾至水分含量為11％，粉碎至200目。經測定，鹽地鹼蓬植株中鈉含量為2.69mg/g，鉀含量為3.26mg/g。

(2)稱取20g的鹽地鹼蓬粉置於管式爐中，氮氣保護下，以15℃/min的升溫速率升至800℃，恆溫保持240min。

(3)在保持通氮氣的條件下自然冷卻至室溫，用500mL的70℃的混酸(含鹽酸12％、氫氟酸8％)分三次振蕩洗滌，每次30min。濾後，用熱的去離子水清洗至pH值為7.0(無氯離子檢出)，乾燥得鹽地鹼蓬基多孔炭材料。所得鹽地鹼蓬基多孔炭材料孔隙結構發達、分布均勻，由大量的微孔和中孔組成。比表面積為713m2/g，平均孔徑為3.6nm。

以上實施方式只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人了解本發明內容並加以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍，凡根據本發明精神實質所做的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍內。