一种三维炭基共聚复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于厌氧消化介导材料技术领域，提供了一种三维炭基共聚复合材料及其制备方法和应用。本发明专利技术首先使羟基醌化合物与单体发生结合反应，再在交联剂和引发剂的作用下引发聚合物自由链式反应，并使羟基醌化合物

【技术实现步骤摘要】
一种三维炭基共聚复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及厌氧消化介导材料
，尤其涉及一种三维炭基共聚复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]农业生产发展中产生的有机废弃物往往被就地焚烧或丢弃，不仅造成了严重的环境污染和大量生物质资源的浪费，还对人体健康产生巨大的威胁。有机废弃物的资源化
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减量化
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无害化是固废处理的主要发展趋势。厌氧消化作为一种简单易行、成本低廉的工艺技术，即可以实现环境治理又可生产清洁能源，在有机废弃物的处理方面得到了广泛的应用与研究。厌氧消化是一个复杂的转化过程，具体指在产甲烷古菌及其他各种细菌的共同作用下，将可生物降解有机物分解为二氧化碳、甲烷及其他物质。然而，由于被降解底物（可生物降解有机物）复杂的成分及各种环境因素的影响，常规的厌氧消化技术存在转化速率慢、降解率低和稳定性差的缺点，从而限制了厌氧消化的规模化与工业化应用。
[0003]厌氧消化的过程从根本上说是氧化反应与还原反应的耦合。由有机物降解生成的乙酸、H2和CO2在一系列的氧化还原反应中转化为CH4，在这个过程中，种间电子转移成为加速反应动力学的关键，因此，在以胞外电子传递为主要媒介的厌氧生物转化过程中，系统转化效率通常取决于其电子转移能力与电子转移效率，电子在不同微生物种群间的传递成为制约厌氧消化稳定高效运行的关键因素。据报道，通过非生物成分的介导促进微生物种间电子传递是解决厌氧消化存在问题的有效措施。
[0004]醌类氧化还原介质（QRM）作为一种非生物成分能够介导微生物之间以及微生物和污染物之间在厌氧生物转化过程中的电子转移，加之其分布广泛、生物兼容性高和成本低，使其在生物降解中显示出巨大的潜力。QRM依赖醌基官能团在氧化还原反应过程中以醌/氢醌的形式转化，得失电子，进而促进电子传递，提高厌氧消化系统自身传递电子的能力，降低总反应活化能，提高反应速率。但QRM易溶于水，在厌氧消化系统中难富集又存在流失于环境的风险。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种三维炭基共聚复合材料及其制备方法和应用。本专利技术提供的制备方法得到的三维炭基共聚复合材料在厌氧消化系统中易于富集又不易于流失于环境。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种三维炭基共聚复合材料的制备方法，包括以下步骤：将羟基醌化合物和二元胺化合物溶解，进行第一反应，得到第一反应体系；将所述第一反应体系和单体混合，进行酰胺化反应，得到酰胺化反应体系；将石墨化炭依次进行第一分散、球磨和第二分散，得到石墨化炭分散液；将所述酰胺化反应体系、石墨化炭分散液、交联剂和引发剂混合，进行聚合反应，
得到所述三维炭基共聚复合材料；所述二元胺化合物与羟基醌化合物的摩尔比为1：2~3；所述单体的结构中含有羧基和双键。
[0007]优选地，所述羟基醌化合物包括1
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羟基蒽醌、1,2
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二羟基蒽醌、1,3
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二羟基蒽醌、1,4
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二羟基蒽醌和1,5
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二羟基蒽醌中的一种或多种；所述二元胺化合物包括尿素、乙二胺和对苯二胺中的一种或多种；所述第一反应的温度为60~90℃，时间为3~6h。
[0008]优选地，所述单体包括甲基丙烯酸和/或丙烯酸；所述羟基醌化合物和单体的摩尔比为1：（1~2）。
[0009]优选地，所述酰胺化反应的温度为150~190℃，时间为2~3h。
[0010]优选地，所述第一分散的分散剂包括盐酸溶液；所述球磨的球粉比为50~100：1，转速为450r/min，时间为5~10h；所述第二分散的分散剂包括水；所述第二分散在超声的条件下进行，所述超声的频率为25kHz，功率为480W，温度为60~90℃，时间为0.5~1h。
[0011]优选地，所述羟基醌化合物和石墨化炭的用量比为0.001~0.003mol：5~10g。
[0012]优选地，所述交联剂包括N,N'
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亚甲基双丙烯酰胺；所述交联剂质量为所述单体和羟基醌化合物总质量的0.2%~0.8%；所述引发剂包括过氧化苯甲酰和/或过硫酸铵；所述引发剂质量为所述单体和醌类化合物总质量的0.5%~1%。
[0013]优选地，所述聚合反应的温度为60~90℃，时间为4~6h。
[0014]本专利技术还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的三维炭基共聚复合材料。
[0015]本专利技术还提供了上述技术方案所述的三维炭基共聚复合材料在厌氧消化中的应用，包括以下步骤：将接种物、玉米秸秆、三维炭基共聚复合材料和水混合，将得到的待培养体系进行培养。
[0016]本专利技术提供了一种三维炭基共聚复合材料的制备方法，包括以下步骤：将羟基醌化合物和二元胺化合物溶解，进行第一反应，得到第一反应体系；将所述第一反应体系和单体混合，进行酰胺化反应，得到酰胺化反应体系；将石墨化炭依次进行第一分散、球磨和第二分散，得到石墨化炭分散液；将所述酰胺化反应体系、石墨化炭分散液、交联剂和引发剂混合，进行聚合反应，得到所述三维炭基共聚复合材料；所述二元胺化合物与羟基醌化合物的摩尔比为1：2~3；所述单体的结构中含有羧基和双键。石墨化炭的石墨化程度较高，使得它能够以单层或寡层的状态分散在水中，易于交联聚合构成网络骨架；第一分散
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球磨
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第二分散的联用避免石墨化炭的片层堆积，增加炭的比表面积，使得三维炭基共聚复合材料具备一定的机械性能。本专利技术将羟基醌化合物和二元胺化合物溶解，进行第一反应，在羟基醌化合物中引入胺基；再将引入了胺基的羟基醌化合物与含有羧基和双键的单体进行酰胺化反应，将羟基醌化合物连接到单体上；在交联剂和引发剂的作用下，利用单体中的双键，将连接有羟基醌化合物的单体进行聚合，形成三维炭基共聚复合材料；归因于醌基官能团的氧化还原能力，羟基醌化合物在醌/氢醌的反复转化过程中持续不断的得失电子循环，使反应速率提高几个数量级。原始石墨化炭、羟基醌化合物和单体因有限的吸附位点及有限
的含氧官能团数量，使得石墨化炭介导微生物电子传递中的的导电能力有限，而对于本专利技术提供的制备方法得到的三维炭基共聚复合材料而言，其将羟基醌化合物通过交联共聚合的方式固定在石墨化炭骨架上，赋予了弱导电体系极强的氧化还原活性，既避免了醌类化合物在连续流厌氧反应体系中的流失问题，又使三维炭基共聚复合材料具备回收特性；同时，三维炭基共聚复合材料具有的网络结构也为微生物提供了附着位点，利于微生物增殖及参与反应。本专利技术提供的制备方法得到的三维炭基共聚复合材料具备多孔、松散的内部结构和非均匀分布的骨架，有助于形成电子流动路线，这将扩大电子对更多微生物和污染物的可用性。综上，本专利技术提供的制备方法得到的三维炭基共聚复合材料机械性能好、化学稳定性高，具有富电子传递功能。
[0017]本专利技术还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的三维炭基共聚复合材料。本专利技术的三维炭基共本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维炭基共聚复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将羟基醌化合物和二元胺化合物溶解，进行第一反应，得到第一反应体系；将所述第一反应体系和单体混合，进行酰胺化反应，得到酰胺化反应体系；将石墨化炭依次进行第一分散、球磨和第二分散，得到石墨化炭分散液；将所述酰胺化反应体系、石墨化炭分散液、交联剂和引发剂混合，进行聚合反应，得到所述三维炭基共聚复合材料；所述二元胺化合物与羟基醌化合物的摩尔比为1：2~3；所述单体的结构中含有羧基和双键。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述羟基醌化合物包括1
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羟基蒽醌、1,2
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二羟基蒽醌、1,3
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二羟基蒽醌、1,4
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二羟基蒽醌和1,5
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二羟基蒽醌中的一种或多种；所述二元胺化合物包括尿素、乙二胺和对苯二胺中的一种或多种；所述第一反应的温度为60~90℃，时间为3~6h。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述单体包括甲基丙烯酸和/或丙烯酸；所述羟基醌化合物和单体的摩尔比为1：（1~2）。4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述酰胺化反应的温度为150~1...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵立欣，张玉磊，马俊怡，于佳动，姚宗路，罗娟，申瑞霞，
申请(专利权)人：中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，
类型：发明
国别省市：