一种利用不同表面活性剂制备具有超高染料吸附性能碳笼的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用不同表面活性剂制备具有超高染料吸附性能碳笼的方法。该方法包括如下步骤：(1)将焦油加入到水中，并加入表面活性剂，搅拌使其乳化，过滤，得到焦油乳化液，随后加入纳米二氧化硅，继续搅拌，固液分离，取固体干燥，得到炭材料；(2)将炭材料研磨成粉末，再采用高温碳化或浓硫酸碳化的方式进行碳化处理，得到碳化材料；最后向碳化材料中加入氢氟酸溶液，搅拌后固液分离，取固体干燥，得到所述具有超高染料吸附性能碳笼。本发明专利技术中利用表面活性剂在溶液中起渗透、吸附以及润湿的作用以改变多孔碳笼的表面，能够显著提升多孔碳笼的比表面积，进而能够有效的提高多孔碳笼对染料的吸附性能。

【技术实现步骤摘要】
一种利用不同表面活性剂制备具有超高染料吸附性能碳笼的方法
本专利技术属于碳材料领域，特别涉及一种利用不同表面活性剂制备具有超高染料吸附性能碳笼的方法。
技术介绍
染料是造纸，塑料，食品，化妆品和纺织等各种行业排放的废水的常见成分。废水中低浓度染料的存在是高度可见的，其降低了光的渗透并可能抑制光合作用。如果在沉积物中厌氧分解染料，也可能会产生问题，如产生有毒胺等，可能达到影响水生系统和相关动植物的致死水平。为了从水生系统中有效去除染料，已探索了许多技术，例如过滤，絮凝，吸附，氧化和生物降解。其中，吸附被认为是最实用、最经济的方法，因此关键在于找到有效的吸附剂。碳材料(CMs)由于其广泛的可用性，出色的水过滤能力和确定的染料吸附能力而被证明是最有效和可靠的吸附剂之一。在大量的碳基吸附剂中，由于其低成本，环保和高表面积等优点，从各种来源衍生的分层多孔碳材料(HPCM)已被广泛用于染料吸附。此外，通过铜，锌，铁，和钴等金属的改性可以提高CMs的吸附能力。酸或碱的活化也被广泛用于优化吸附剂的孔结构。另一方面，模板耦合热技术是合成HPCM的重要方法之一，关键是找到合适的碳前体。石油沥青作为石化工业的残余物，是具有中间相特征的芳香烃的复杂混合物。这些sp2-C占主导地位的分子可能会通过芳构化和碳化而重排成较大的互连薄膜，并在高温下进一步转化为石墨烯状纳米片。因此，石油沥青可以是通过模板策略合成用于染料吸附的HPCM的良好碳前体。但现有的碳材料吸附剂对染料的吸附能力较弱，因此，提供一种具有高染料吸附性能的HPCM的合成方法具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种利用不同表面活性剂制备具有超高染料吸附性能碳笼的方法。本专利技术的另一目的在于提供所述方法制备得到的具有超高染料吸附性能的碳笼。本专利技术的另一目的在于提供所述具有超高染料吸附性能的碳笼的应用。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种利用不同表面活性剂制备具有超高染料吸附性能碳笼的方法，包括如下步骤：(1)表面活性剂处理将焦油加入到水中，然后加入表面活性剂，搅拌使其乳化，过滤，得到焦油乳化液，随后加入纳米二氧化硅，继续搅拌混合均匀，固液分离，取固体，干燥，得到表面活性剂处理后的炭材料；其中，表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)、司班80(SP80)和吐温80(TW80)中的至少一种；(2)碳化处理①高温碳化处理：将步骤(1)中得到的炭材料研磨成粉末，然后在保护性气体氛围、600～1000℃下进行碳化，得到碳化材料I；②向碳化材料I中加入氢氟酸溶液，搅拌混合均匀，固液分离，取固体，干燥，得到所述具有超高染料吸附性能碳笼；或：③浓硫酸碳化处理：将步骤(1)中得到的炭材料研磨成粉末，然后加入浓硫酸进行碳化处理，再加水稀释后固液分离，取固体，干燥，得到碳化材料II；④向碳化材料II中加入氢氟酸和水，搅拌混合均匀，固液分离，取固体，干燥，得到所述具有超高染料吸附性能碳笼。步骤(1)中所述的表面活性剂优选为十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和十二烷基硫酸钠(SDS)中的至少一种；更优选为十二烷基苯磺酸钠。步骤(1)中所述的焦油与表面活性剂的质量比为1～3:1；优选为2:1。步骤(1)中所述的搅拌的条件均为：300～600r/min搅拌0.5～2小时；优选为：600r/min搅拌1小时。步骤(1)中所述的纳米二氧化硅优选为粒径15nm的纳米二氧化硅。步骤(1)中所述的焦油与二氧化硅的质量比为1:1～4；优选为1:1。步骤(1)中所述的水的用量为按每克(g)焦油配比20～40mL水计算；优选为按每克(g)焦油配比40mL水计算。步骤(1)、①、③和④中所述的固液分离优选为采用抽滤的方式进行固液分离。步骤(1)、②、③和④中所述的干燥的条件为：80～100℃烘箱中干燥12～24h；优选为：80℃下干燥24h。步骤(2)①中所述的碳化的升温速率为2～3℃/min；优选为2.5℃/min。步骤(2)①中所述的碳化的温度优选为800℃。步骤(2)①中所述的碳化的时间为30～60min；优选为60min。步骤(2)①中所述的保护性气体优选为氮气。步骤(2)②和④中所述的搅拌的条件为：300～600r/min搅拌0.5～2小时；优选为：500r/min搅拌30min。步骤(2)②中所述的碳化材料I和氢氟酸的质量比为1:2～6；优选为1:2。步骤(2)②所述的氢氟酸溶液的浓度为质量百分比30～50％；优选为浓度为质量百分比40％。步骤(2)③中所述的炭材料与浓硫酸的质量比为1:5～15；优选为1:10。步骤(2)③中所述的碳化处理的时间为25～35min；优选为30min。步骤(2)③中所述的水的用量为按每克(g)所述焦油配比20～40mL水计算；优选为按每克(g)所述焦油配比40mL水计算。步骤(2)④中所述的碳化材料II和氢氟酸的质量比为1:2～6；优选为1:2。步骤(2)④中所述的加入氢氟酸优选为加入氢氟酸溶液；进一步优选为加入浓度为质量百分比30～50％的氢氟酸溶液；更优选为加入浓度为质量百分比40％的氢氟酸溶液。步骤(2)④中所述的水的用量为按每克(g)所述焦油配比20～40mL水计算；优选为按每克(g)所述焦油配比20mL水计算。一种具有超高染料吸附性能碳笼，通过上述任一项所述的方法制备得到。所述的具有超高染料吸附性能碳笼在吸附染料中的应用。所述的染料包括亚甲基蓝、藏红T和孔雀石绿中的至少一种；该具有超高染料吸附性能碳笼在不同pH(pH为1～14)的条件下都可以对亚甲基蓝、藏红T和孔雀石绿进行吸附；其中，在pH为7～14(优选为pH＝7)的条件下，碳笼对藏红T的吸附能力更强；在pH为14的条件下，碳笼对孔雀石绿以及亚甲基蓝的吸附能力更强。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：1、本专利技术将不同的表面活性剂如吐温80(TW800)，司班80(SP80)，十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，十二烷基硫酸钠(SDS)加入到焦油和水的混合物中，发现表面活性剂对制备高吸附能力的多孔炭材料有良好的效果，同时对多孔碳的比表面积也具有十分显著的提升效果，同时显著的提升对藏红T，孔雀石绿和亚甲基蓝三种染料的吸附能力。2、本专利技术中通过表面活性剂在溶液中起渗透，吸附，润湿的作用以改变水合物的表面，从石油沥青中合成出具有独特笼状结构和高表面积的分层多孔碳材料(HPCM)，能够有效的提高多孔碳对染料的吸附性能，例如SDBS-800相对于SDBS-HS来说其对/藏红T的吸附能力从1234mg/g提升至2077mg/g。附图说明图1是SDBS-800样品不同PH条件下对藏红T的吸附性率统计图。图2是SDBS-800样品不同PH条件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用不同表面活性剂制备具有超高染料吸附性能碳笼的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)表面活性剂处理/n将焦油加入到水中，然后加入表面活性剂，搅拌使其乳化，过滤，得到焦油乳化液，随后加入纳米二氧化硅，继续搅拌混合均匀，固液分离，取固体，干燥，得到表面活性剂处理后的炭材料；其中，表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、司班80和吐温80中的至少一种；/n(2)碳化处理/n①高温碳化处理：将步骤(1)中得到的炭材料研磨成粉末，然后在保护性气体氛围、600～1000℃下进行碳化，得到碳化材料I；/n②向碳化材料I中加入氢氟酸溶液，搅拌混合均匀，固液分离，取固体，干燥，得到所述具有超高染料吸附性能碳笼；/n或：/n③浓硫酸碳化处理：将步骤(1)中得到的炭材料研磨成粉末，然后加入浓硫酸进行碳化处理，再加水稀释后固液分离，取固体，干燥，得到碳化材料II；/n④向碳化材料II中加入氢氟酸和水，搅拌混合均匀，固液分离，取固体，干燥，得到所述具有超高染料吸附性能碳笼。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用不同表面活性剂制备具有超高染料吸附性能碳笼的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)表面活性剂处理
将焦油加入到水中，然后加入表面活性剂，搅拌使其乳化，过滤，得到焦油乳化液，随后加入纳米二氧化硅，继续搅拌混合均匀，固液分离，取固体，干燥，得到表面活性剂处理后的炭材料；其中，表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、司班80和吐温80中的至少一种；
(2)碳化处理
①高温碳化处理：将步骤(1)中得到的炭材料研磨成粉末，然后在保护性气体氛围、600～1000℃下进行碳化，得到碳化材料I；
②向碳化材料I中加入氢氟酸溶液，搅拌混合均匀，固液分离，取固体，干燥，得到所述具有超高染料吸附性能碳笼；
或：
③浓硫酸碳化处理：将步骤(1)中得到的炭材料研磨成粉末，然后加入浓硫酸进行碳化处理，再加水稀释后固液分离，取固体，干燥，得到碳化材料II；
④向碳化材料II中加入氢氟酸和水，搅拌混合均匀，固液分离，取固体，干燥，得到所述具有超高染料吸附性能碳笼。


2.根据权利要求1所述的利用不同表面活性剂制备具有超高染料吸附性能碳笼的方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠中的至少一种。


3.根据权利要求2所述的利用不同表面活性剂制备具有超高染料吸附性能碳笼的方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。


4.根据权利要求1所述的利用不同表面活性剂制备具有超高染料吸附性能碳笼的方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的焦油与表面活性剂的质量比为1～3:1；
步骤(1)中所述的焦油与二氧化硅的质量比为1:1～4；
步骤(2)②中所述的碳化材料I和氢氟酸的质量比为1:2～6；
步骤(2)③中所述的炭材料与浓硫酸的质量比为1:5～15；
步骤(2)④中所述的碳化材料II和氢氟酸的质量比为1:2～6。


5.根据权利要求4所述的利用不同表面活性剂制备具有超高染料吸附性能碳笼的方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的焦油与表面活性剂的质量比为2:1；
步骤(1)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：许细薇，张帆，涂任，蒋恩臣，孙炎，吴宇健，范旭东，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44