一种改性碳基材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种改性碳基材料的制备方法，该方法是采集水生植物及其所形成的腐败物或水华藻类及其所形成的腐败物，清洗，烘干粉碎，球磨获得植物纤维；然后把植物纤维浸泡在含金属离子的溶液中混匀，水热处理，过滤收集滤液，透析制得碳量子点溶液；将粉碎的粉末置于碳量子点溶液中改性，或者将水生植物及其所形成的腐败物粉末或水华藻类及其所形成的腐败物热解炭化后再置于碳量子点溶液中改性，制得碳量子点改性碳基材料，最后制得同时具备碳量子点和共价有机聚合物多功能的改性碳基材料；将改性碳基材料应用在去除废水中的重金属中，对重金属具有显著的吸附效果，远高于其他吸附剂，而且方便回收，不会对水体产生二次污染。染。染。

【技术实现步骤摘要】
一种改性碳基材料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于天然植物资源化减量化利用领域，涉及一种利用水生植物或水华藻类及其所形成的腐败物为碳源制备碳量子点并与金属离子、共价有机聚合物结合改性碳材料以及去除水中重金属的方法。

技术介绍

[0002]20世纪以来，科学技术迅猛发展，促进了经济的发展，提高了人民的生活水平，然而，与此同时，人类也付出了惨重的代价，重金属污染是其中之一。重金属污染主要来源于工业污染，其次是交通污染和生活垃圾污染。工业污染大多通过废渣、废水、废气排入环境，在人和动物、植物体中富集。同时，重金属还具有较强的致癌性和致突变性，对生态环境和人类健康构成严重威胁。
[0003]废水中重金属去除的主要技术有化学沉淀法、离子交换法、吸附法、膜过滤技术、反渗透法、浮选法、电化学法和光催化法等。吸附法作为一种经济实用的重金属废水处理方法一直被人们广泛应用。该技术的原理是通过吸附材料的高比表面积的蓬松结构或者特殊官能团对水中重金属进行物理或者化学吸附的一种方法。它具有占地面积小、操作简单、无二次污染等优点。目前，比较常用的吸附剂有活性炭、碳纳米管、高岭土、蒙脱石、生物炭、木质素、硅藻土、褐煤、氧化石墨烯、天然沸石、粘土和泥炭等。在这些吸附剂中，生物炭具有价格低廉、来源广泛、使用方便、可回收利用、适用性强等优点，成为最具吸引力的吸附剂。
[0004]碳基材料是一种富含碳的固体，通常是在缺氧或者无氧的条件下加热有机生物质而产生的。其制备原料来源广泛，如农业产生的大量动植物废料——麦秆、种壳、粪便等；人类制造的垃圾——比如下水污泥或其他生活垃圾以及植物副产品（如椰子壳，玉米麸等）都能作为原材料。其大表面积，高孔隙率和有效的官能团使它成为一种去除重金属的优良吸附剂。
[0005]水生植物或水华藻类及其所形成的腐败物如细叶蜈蚣草、穿叶眼子菜、松针草、蓝藻、硅藻、绿藻、隐藻、裸藻、金藻、甲藻等含丰富的碳源，植株含水率高，叶片薄且面积大，具有吸收水体大量污染物质和悬浮沉积物等功能，常用于水体修复。但是水生植物在秋冬季节会衰亡，对水体造成二次污染。藻类水华的暴发会导致湖泊和水体富营养化，使水体环境、人类健康面临严峻挑战。因此，如何处理水生植物或水华藻类及其所形成的腐败物残体和进行资源化利用是当前面临的问题之一。将水生植物或水华藻类及其所形成的腐败物制备成碳基材料，方法简单易行，原材料来源丰富，是水生植物或水华藻类及其所形成的腐败物残体资源化的方式之一。
[0006]但是传统的裂解方法所制备的碳基材料对重金属的去除效率较低，因此需对碳基材料进行改性，以提高其对重金属的去除效率。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题，在于将水生植物及其所形成的腐败物或水华藻类及
其所形成的腐败物残体资源化利用，制备含金属离子的碳量子点并将其负载于碳基材料后接枝共价有机聚合物，且将该多功能改性碳基材料用于去除水体中的重金属。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：1、制备含金属的天然水生植物或水华藻类及其所形成的腐败物碳量子点采集水生植物及其所形成的腐败物或水华藻类及其所形成的腐败物，用去离子水清洗干净，并在60~80℃下烘干至恒重，然后粉碎，获得水生植物及其所形成的腐败物或水华藻类及其所形成的腐败物粉末；将获得的粉末分层放入球磨罐中球磨，获得植物纤维；然后把植物纤维浸泡在浓度0.1~2mol/L的含金属离子的溶液中，将混合物置于180~220℃下水热处理0.5~24h，过滤，收集滤液，并于透析袋中透析12~48h，制备含金属的天然水生植物或水华藻类及其所形成的腐败物的碳量子点溶液；2、碳量子点改性碳基材料将水生植物及其所形成的腐败物粉末或水华藻类及其所形成的腐败物粉末置于上述的碳量子点溶液中，于15~95℃下搅拌处理0.5~24h，过滤，60~80℃下烘干至恒重；将干燥后的产物倒入坩埚并移至马弗炉中300~700℃下热解2~4h，热解结束后，得碳量子点改性碳基材料；或者，将采集水生植物及其所形成的腐败物或水华藻类及其所形成的腐败物置于马弗炉中，在300~700℃下热解炭化，热解炭化结束后，冷却至室温，取出炭化产物浸泡在碳量子点溶液中，室温下搅拌2~24h，然后将混合物置于60~80℃下干燥过夜，然后以8~12℃/min的速度将混合物从室温加热至300~700℃，同时以10~30mL/min的流速通入二氧化碳气体，在二氧化碳气氛中保持0.5~0.8h，冷却，制得碳量子点改性碳基材料；3、碳量子点改性碳基材料接枝共价有机聚合物将碳量子点改性碳基材料置于硝酸
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硫酸混合液中，在25~45℃下氧化24~48h，去离子洗涤，直至漂洗液pH达到6~8，然后在110~160℃下真空干燥12~24h，获得带有羧基的碳基材料；将带有羧基的碳基材料与二氯甲烷
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氯化亚砜混合液混合，在35~45℃下反应24~48h，然后在40~60℃下真空干燥12~24h，获得带有酰氯基的碳基材料；将带有酰氯基的碳基材料、三聚氰胺、对苯二甲醛置于二甲基亚砜
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N,N
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二异丙基乙胺混合液中反应，完全溶解后过滤，固体依次用二甲基亚砜、丙酮、去离子水、乙醇进行清洗，然后在110~180℃下真空干燥12~24h，制得同时具备碳量子点和共炭材料价有机聚合物多功能的改性碳基材料。
[0009]所述水生植物为挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物、湿生植物中的一种或多种，挺水植物包括荷花、千屈菜、菖蒲、黄菖蒲、水葱、再力花、梭鱼草、花叶芦竹、香蒲、泽泻、旱伞草、芦苇、茭白等；浮叶植物包括：王莲、睡莲、萍蓬草、芡实、荇菜、水罂粟等；沉水植物包括：细叶蜈蚣草、眼子菜、松针草、金鱼藻、苦草、黑藻、狐尾藻、鸭舌草、狸藻、菹草、海菜花、黄花狸藻、水车前、水盾草等；漂浮植物包括：凤眼莲、大漂、水鳖、满江红、槐叶萍、清萍、水萍、水芙蓉、布袋莲槐叶苹等；湿生植物包括：美人蕉、梭鱼草、千屈菜、再力花、水生鸢尾、红蓼、狼尾草、蒲草；水华藻类包括蓝藻、硅藻、绿藻、隐藻、裸藻、金藻、甲藻等。
[0010]所述含金属离子的溶液为含金属硫酸盐、金属硝酸盐、金属卤化物、金属柠檬酸盐、金属碳酸盐、金属磷酸盐、金属磺酸盐、金属氨合物、金属粉末中一种或多种的溶液，其中金属为铁、铜、镍、钴、铅、银、锌、锰、铂、金、铝、锂、钯、钛、镉、钡、锆或钨。
[0011]本专利技术另一目的是将上述方法制得的改性碳基材料应用在去除水中重金属中，其
中重金属为铬、砷、汞、铜、铅、银、镉、钴、钒、锑、锡。
[0012]与现有技术相比，本专利技术具有如下特点：本专利技术的原材料为水生植物或水华藻类及其所形成的腐败物，来源广泛，成本低廉，制备过程简单；将水生植物或水华藻类及其所形成的腐败物同时制成碳量子点和碳基材料，在碳量子点改性的碳基材料上接枝共价有机骨架材料不仅具有催化活性高、稳定性好、处理水生植物或水华藻类及其所形成的腐败物残体、减少对水体的二次污染等特点，又可以吸收水体大量的污染物质和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性碳基材料的制备方法，其特征在于，步骤如下:（1）采集水生植物及其所形成的腐败物或水华藻类及其所形成的腐败物，用去离子水清洗干净，并在60~80℃下烘干至恒重，粉碎，将获得的粉末分层放入球磨罐中球磨，获得植物纤维；然后把获得的植物纤维浸泡在浓度0.1~2mol/L的含金属离子的溶液中混匀，将混合物置于180~220℃下水热处理0.5~24h，过滤，收集滤液，并于透析袋中透析12~48h，制得碳量子点溶液；（2）将水生植物及其所形成的腐败物粉末或水华藻类及其所形成的腐败物粉末置于步骤（1）碳量子点溶液中，于15~95℃下搅拌处理0.5~24h，过滤，60~80℃下烘干至恒重；将干燥后的产物倒入坩埚并移至马弗炉中300~700℃下热解2~4h，热解结束后，得碳量子点改性碳基材料；或者，将采集水生植物及其所形成的腐败物或水华藻类及其所形成的腐败物置于马弗炉中，在300~700℃下热解炭化，热解炭化结束后，冷却至室温，取出炭化产物浸泡在步骤（1）碳量子点溶液中，室温下搅拌2~24h，然后将混合物置于60~80℃下干燥过夜，然后以8~12℃/min的速度将混合物从室温加热至300~700℃，同时以10~30mL/min的流速通入二氧化碳气体，在二氧化碳气氛中保持0.5~0.8h，冷却，制得碳量子点改性碳基材料；（3）将碳量子点改性碳基材料置于硝酸
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硫酸混合液中，在25~45℃下氧化24~48h，去离子洗涤，直至漂洗液pH达到6~8，然后在110~160℃下真空干燥12~24h，获得带有羧基的碳基材料；将带有羧基的碳基材料与二氯甲烷
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氯化亚砜混合液混合，在35~45℃下反应24~48h，然后在40~60℃下真空干燥12~24h，获...

【专利技术属性】
技术研发人员：王向宇，易艳，杨开妮，韩仁婵，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：