專利名稱：：一種氧官能團(tuán)化的炭材料及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于吸附劑
技術(shù)領(lǐng)域：
，主要涉及炭材料氧化表面改性和炭材料超聲氧化表面改性以及表面修飾炭材料的吸附和催化性能，特別涉及一種快速無(wú)污染的表面修飾炭材料的方法。具體的講，通過(guò)雙氧水或超聲輔助雙氧水氧化修飾等方法對(duì)炭材料進(jìn)行表面修飾，得到的氧官能團(tuán)化的炭材料具有豐富的含氧官能團(tuán)，且孔結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度基本保持不變。氧官能團(tuán)化的炭材料對(duì)于Ag+、Cu2—、C,等金屬離子的吸附容量較原料炭材料均有大幅度提高；通過(guò)浸漬氧官能團(tuán)化的炭材料制各的浸漬炭催化劑用于氯化氰防護(hù)時(shí)，相同制備條件下較原料炭材料的防護(hù)時(shí)間提高了20-30%。
背景技術(shù)：
：炭材料由于具有高的比表面積、發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、豐富的表面官能團(tuán)和優(yōu)異的化學(xué)和物理穩(wěn)定性而廣泛應(yīng)用于吸附和催化領(lǐng)域。炭材料用于吸附劑/催化劑載體時(shí)，孔結(jié)構(gòu)和表面性能是影響活性組分分散和穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，也是吸附劑/催化劑主要控制因素。因此炭材料的孔結(jié)構(gòu)控制及表面化學(xué)性質(zhì)調(diào)變是提高吸附劑/催化劑性能的根本和關(guān)鍵。就炭材料自身而言，影響其應(yīng)用的因素不外乎孔隙物理結(jié)構(gòu)和孔表面化學(xué)結(jié)構(gòu)，炭材料的表面化學(xué)性質(zhì)決定了其化學(xué)吸附特性?；瘜W(xué)性質(zhì)主要指炭材料表面的化學(xué)官能團(tuán)，其中主要為含氧官能團(tuán)。含氧官能團(tuán)又可分為酸性含氧官能團(tuán)和堿性含氧官能團(tuán)酸性基團(tuán)有羧基、酚羥基、醌型羰基、正內(nèi)酯基及環(huán)式過(guò)氧基等，堿性氧化物普遍認(rèn)為為類吡喃酮結(jié)構(gòu)基團(tuán)。酸性氧化物使炭材料具有極性，有利于吸附各種極性較強(qiáng)的化合物；堿性化合物易吸附極性較弱或非極性物質(zhì)。表面化學(xué)結(jié)構(gòu)可通過(guò)后期改性處理改變其酸堿性，從而制得具有特殊吸附性能的改性炭材料。炭材料表面化學(xué)性質(zhì)的改性主要采用氧化改性方法。氧化改性主要利用強(qiáng)氧化劑在適當(dāng)?shù)臏囟认聦?duì)炭材料表面的官能團(tuán)進(jìn)行氧化處理，從而提高表面含氧基團(tuán)的含量，增強(qiáng)表面的極性。表面極性較強(qiáng)的炭材料易吸附極性物質(zhì)，從而可以達(dá)到對(duì)金屬粒子的吸附脫除或用于制備催化劑等?；瘜W(xué)官能團(tuán)作為活性中心支配了炭材料表面化學(xué)性質(zhì)，而炭材料表面官能團(tuán)的數(shù)量和種類主要是由生產(chǎn)炭材料的原材料所決定，從而對(duì)成品炭材料進(jìn)行改性處理以進(jìn)一步改善其吸附性能具有極其重要的意義。綜上所述，由于制備炭材料的前體如煤和生物質(zhì)變化多樣，因此炭材料產(chǎn)品的重復(fù)性不佳，從而導(dǎo)致以炭材料為原料的吸附劑和催化劑的性能具有較大差異。為了解決這些問(wèn)題就必須對(duì)炭材料進(jìn)行改性，并針對(duì)不同的用途進(jìn)行炭材料的表面改性，創(chuàng)造性地開(kāi)發(fā)炭材料的新用途。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種氧官能團(tuán)化的炭材料及其應(yīng)用，通過(guò)雙氧水或超聲輔助雙氧水氧化修飾等方法對(duì)炭材料進(jìn)行表面修飾，得到的氧官能團(tuán)化的炭材料具有豐富的含氧官能團(tuán)，且孔結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度基本保持不變。氧官能團(tuán)化的炭材料對(duì)于Ag+、Cu2+、C,等金屬離子的吸附容量較原料炭材料均有大幅度提高；通過(guò)浸漬氧官能團(tuán)化的炭材料制備的浸漬炭催化劑用于氯化氰防護(hù)時(shí)，相同制備條件下較原料炭材料的防護(hù)時(shí)間提高了20-30%。本發(fā)明的技術(shù)方案是將作為原料的炭材料與一定濃度的雙氧水按不同比例混合，然后在一定溫度下恒溫處理后，經(jīng)過(guò)濾，洗滌，干燥，得到表面修飾的炭材料。然后對(duì)得到表面修飾的炭材料進(jìn)行表征，確認(rèn)表面官能團(tuán)和強(qiáng)度的變化，將得到的表面修飾的炭材料制備的浸漬炭催化劑用于氯化氰防護(hù)時(shí)間測(cè)試及對(duì)水中Ag+、Cu2+、Cr6+等金屬離子的吸附性能的研究。具體的反應(yīng)步驟如下配置濃度為1%30%的雙氧水或超聲輔助雙氧水溶液，稱取適量的炭材料，將雙氧水溶液與炭材料的質(zhì)量比控制在1-20之間進(jìn)行混合，在25-15(TC溫度下處理炭材料并恒溫0.1-10h，經(jīng)過(guò)過(guò)濾、洗滌、干燥，得到表面修飾的炭材料。本發(fā)明得到表面修飾的炭材料，可以放入含有Ag+、Cu2+、&6+等金屬離子溶液中，該表面修飾的炭材料對(duì)水中金屬離子的吸附容量較原料炭材料均有大幅度提髙；通過(guò)浸漬氧官能團(tuán)化的炭材料制備的浸漬炭催化劑用于氯化氰防護(hù)時(shí)，相同制備條件下較原料炭材料的防護(hù)時(shí)間提高了20-30%。本發(fā)明的有益效果是方法簡(jiǎn)便、安全、成本低、制備周期短、無(wú)污染，所得表面修飾的炭材料適用范圍廣。所得的表面修飾炭材料可作為高活性催化劑的載體和吸附劑應(yīng)用于等金屬離子的吸附和氯化氰防護(hù)催化劑。圖l為炭材料的紅外光譜譜圖。圖2為不同&02濃度在8(TC下處理5h炭材料的紅外光譜譜圖。圖3為H202在8(TC下處理不同時(shí)間下炭材料的紅外光譜譜圖。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。稱取炭材料200克放入反應(yīng)器中，然后加入1000克濃度的5%、10%，15%和30%雙氧水溶液，置于恒溫水浴中于80。C回流處理5小時(shí)，然后經(jīng)過(guò)濾，洗滌，干燥，得到表面修飾的炭材料。由圖1可以看出，原料活性炭的紅外譜圖中除了在3450cm—1左右可歸結(jié)為表面酚羥基或者吸附水的譜峰外，在2955和2885cm—1的譜峰可歸結(jié)為C-H振動(dòng)的譜峰，沒(méi)有出現(xiàn)或者非常弱的1700附近的羧基譜峰，且'1660cm"譜峰大于1550cm"譜峰，暗示了其親水性不佳，而缺乏堿性位。圖2給出了不同濃度雙氧水氧化改性5h后活性炭的紅外光譜圖。由圖可知，隨著雙氧水濃度的提高，在2955和2885cm"的譜峰歸結(jié)為C-H振動(dòng)的譜峰逐漸減弱并消失，同時(shí)在1275cm'1的C-0伸縮振動(dòng)峰更加明顯。歸因于堿性7i位的1550cm"譜峰弱化了，而歸因于醌基或者環(huán)狀酯的OO的1660cm"譜峰增強(qiáng)了，表明氧化處理后表面含氧官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。X射線衍射結(jié)果顯示隨著雙氧水濃度的增加，石墨微晶的衍射峰變?nèi)?，表明氧化處理?dǎo)致了石墨微晶尺寸的減少，尤其是雙氧水濃度大于10%后更加明顯。然而不同濃度雙氧水處理后的炭材料的無(wú)定形炭特征峰，與原料活性炭相比，沒(méi)有明顯變化，表明活性炭的無(wú)定形結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯變化。實(shí)施例2稱取原料炭材料200克放入反應(yīng)器中，然后加入1000克濃度的5%雙氧水溶液，置于恒溫水浴中于80。C回流處理2、3.5和5小時(shí)，然后經(jīng)過(guò)濾，洗滌，干燥，得到表面修飾的炭材料。由圖3可以看出，隨著雙氧水處理時(shí)間的延長(zhǎng)，在2955和2885cm"的譜峰歸結(jié)為C-H振動(dòng)的譜峰消失，同時(shí)在1275cm—1的C-0伸縮振動(dòng)峰更加明顯。結(jié)果表明氧化處理后表面含氧官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯增加。對(duì)于雙氧水處理不同時(shí)間的改性樣品和原料炭材料的織構(gòu)參數(shù)采用氮?dú)馕竭M(jìn)行了表征，結(jié)果見(jiàn)表l。由表可知，隨著氧化時(shí)間的增加，BET比表面積呈增加趨勢(shì)，而微孔比表面積略有減少，平均孔徑和孔容略有增加。這主要由于氧化處理打開(kāi)了堵塞的孔隙，同時(shí)雙氧水與孔壁的反應(yīng)使孔壁變薄，形成新的孔隙。表1原料活性炭和雙氧水改性活性炭的比表面積、孔尺寸和孔容<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>X射線衍射結(jié)果顯示隨著雙氧水處理時(shí)間的增加，石墨微晶的衍射峰呈變?nèi)醯内厔?shì)，這主要由于氧化導(dǎo)致的石墨微晶變小。而活性炭的無(wú)定形結(jié)構(gòu)基本無(wú)變化。實(shí)施例3稱取原料炭材料10克放入反應(yīng)器中，然后加入100克濃度的5%雙氧水溶液，置于超聲發(fā)生器(60W,20KHz)中處理0.5h，經(jīng)過(guò)濾，洗滌，干燥，得到表面修飾的炭材料，經(jīng)紅外光譜檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)炭材料表面的含氧官能團(tuán)增多。并且X射線衍射結(jié)果顯示活性炭的無(wú)定形結(jié)構(gòu)基本無(wú)變化。實(shí)施例4取氧化處理后的樣品和原料炭材料樣品測(cè)定改性前后的強(qiáng)度變化，結(jié)果如表2所示。顯然，雙氧水改性炭材料的強(qiáng)度基本沒(méi)有改變，保持了原料炭材料的高強(qiáng)度。表2原料炭材料及改性后樣品的強(qiáng)度樣品號(hào)強(qiáng)度原料炭材料9.9MPa改性后炭材料9.編Pa實(shí)施例5稱取原料炭材料和改性后炭材料測(cè)量Ag+、或Cu2+、或C+溶液中離子在炭材料上的吸附。其結(jié)果如表3所示，隨著改性時(shí)間增加，對(duì)Ag+、或Cu2+、或C,的吸附量也逐漸增加，較原料活性炭吸附量分別提高51，38，71%。表3原料炭材料及改性后樣品對(duì)Ag+、或012+、或Cr"的吸附量樣品號(hào)表面酸度(mol/g)012+的吸附量(mg/g)Ag+的吸附量(mg/g)Cr"的吸附量(mg/g)原料炭材料0,34763.914.122.01改性2小時(shí)0.49655.064.982.79改性3.5小時(shí)0.51245.645.423.21改性5小時(shí)0.52115.925.713.44實(shí)施例6將5X雙氧水改性后的炭材料浸漬Ag+、或Cu2+、或&6+得到浸漬炭催化劑，用于氯化氰的防護(hù)。原料炭材料及改性活性炭制備的浸漬炭催化劑氯化氰防護(hù)時(shí)間如表4所示。由表可知，隨著雙氧水溶液改性時(shí)間的增加，氯化氰防護(hù)時(shí)間呈增加趨勢(shì)，并且較原料炭材料可提高20-30%，可達(dá)35分鐘。表4原料炭材料及改性活性炭制備的浸漬炭催化劑氯化氰防護(hù)時(shí)間載體原料炭材料改性1小時(shí)改性2小時(shí)改性3.5小時(shí)改性5小時(shí)防護(hù)時(shí)間min28283229358權(quán)利要求1、一種氧官能團(tuán)化的炭材料，其特征在于炭材料，將濃度為1％～30％的雙氧水或超聲輔助雙氧水溶液與炭材料質(zhì)量比在1-20之間進(jìn)行混合，在25-150℃溫度下處理炭材料并恒溫0.1-10h，經(jīng)過(guò)過(guò)濾、洗滌、干燥，得到表面修飾的炭材料。2、權(quán)利要求l所述炭材料的應(yīng)用，其特征在于將權(quán)利要求l得到的表面修飾炭材料放入含有Ag+、Cu2+或C,金屬離子溶液中，吸附溶液中的金屬離子。3、權(quán)利要求l所述炭材料的應(yīng)用，其特征在于將權(quán)利要求l得到的表面修飾炭材料浸漬Ag+、Cu2+或C,得到浸漬炭催化劑，用于氯化氰的防護(hù)。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種氧官能團(tuán)化的炭材料及其應(yīng)用，屬于吸附劑
技術(shù)領(lǐng)域：
。其特征是氧官能團(tuán)化的炭材料通過(guò)雙氧水或超聲輔助雙氧水氧化修飾得到。雙氧水氧化修飾后的炭材料表面含氧官能團(tuán)明顯增多，但是炭材料的孔結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度基本保持不變。氧官能團(tuán)化的炭材料對(duì)于Ag⁺、Cu²⁺、Cr⁶⁺等金屬離子的吸附容量較原料炭材料均有大幅度提高；通過(guò)浸漬氧官能團(tuán)化的炭材料制備的浸漬炭催化劑用于氯化氰防護(hù)時(shí)，相同制備條件下較原料炭材料的防護(hù)時(shí)間提高了20-30％。雙氧水或超聲輔助雙氧水氧化修飾制備氧官能團(tuán)化的炭材料具有工藝簡(jiǎn)單，快速環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，并且為用于氯化氰防護(hù)的浸漬炭催化劑提供了有效的炭載體。文檔編號(hào)B01J20/30GK101507912SQ20091001043公開(kāi)日2009年8月19日申請(qǐng)日期2009年2月18日優(yōu)先權(quán)日2009年2月18日發(fā)明者朱春來(lái),闖李,梁長(zhǎng)海,肖春英,賈建國(guó)申請(qǐng)人:大連理工大學(xué);中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所