專利名稱：一種超疏水活性炭改性材料的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于活性炭改性材料制備技術領域，尤其涉及一種超疏水活性炭改性材料的制備方法。
背景技術：
近年來，植物葉表面的超疏水現(xiàn)象引起了人們的關注。所謂植物超疏水能力，就是植物葉面具有顯著的疏水，脫附，防粘，自清潔功能等。超疏水性就是表面浸潤性的主要研究內容之一，研究表明，固體表面的潤濕性是由其化學組成和微觀幾何結構共同決定的，此夕卜，外場如光、電、磁、熱等對固體表面的潤濕性也有很大影響。自從Wenzel和Cassie發(fā)表了一系列浸潤性的文章以來，大量實驗和理論成果不斷被報道。所謂超疏水表面一般指與水的接觸角大于150°的表面，這類材料在工農業(yè)生產和人們的日常生活中都有著非常廣
闊的應用前景。例如，超疏水界面材料用于室外天線，可以防積雪，從而保證高質量信號的接收；涂在輪船的外殼、燃料儲備箱，可以達到防污、防腐的效果；用于水中運輸工具和水下核潛艇，可以減少水的阻力，提高行駛速度；用于微量注射器針尖，可以完全消除昂貴的藥品在針尖上的粘滯及由此帶來的針尖污染；還可以用來修飾多孔材料，增強其在高濕度下的抗?jié)裥阅?。?996年Onda首次在實驗室人工合成出超疏水表面以來，超疏水表面越來越受關注。超疏水表面的制備一般采用兩種方法，一種是在粗糙表面修飾低表面能物質，另一種是在疏水性表面構造粗糙結構。但用低表面能物質修飾多孔炭材料存在兩個問題(I)用低表面能物質負載到活性炭表面存在堵孔現(xiàn)象；(2)簡單的負載在活性炭表面容易造成低表面能物質的流失，從而影響其疏水性能。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種超疏水活性炭改性材料的制備方法，旨在解決目前采用用低表面能物質修飾多孔炭材料存在用低表面能物質負載到活性炭表面存在堵孔現(xiàn)象、簡單的負載在活性炭表面容易造成低表面能物質的流失，從而影響其疏水性能的問題。本發(fā)明的目的在于提供一種超疏水活性炭改性材料的制備方法，該制備方法以三甲基氯硅烷為改性劑，無水甲醇為溶劑，分別以預處理后的煤質柱狀和椰殼顆粒狀活性炭為載體，經過液相浸潰、真空干燥、普通鼓風干燥制得超疏水活性炭改性材料。進一步，該制備方法的具體實現(xiàn)步驟為步驟SI I，對煤質柱狀和椰殼顆粒狀活性炭進行預處理步驟S111，分別以比表面積為600_1500m2/g的椰殼顆粒活性炭和煤質柱狀活性炭為原料，先采用濃度為l_4mol/L的氫氧化鈉溶液浸潰振蕩10-24小時，過濾得濾液；步驟S112，用去離子水洗滌至濾液為中性，再以3. 83-18. 09￥七％的鹽酸溶液浸潰振蕩10-24小時后，過濾，用去離子水洗滌至濾液為中性；
步驟S113，樣品裝入燒杯加適量去離子水，接著放入在功率為500-1000W的超聲波儀中清洗30-90min，過濾后置于80_130°C干燥箱中干燥14-20小時；步驟S114，干燥后的活性炭置于活化爐中，以氮氣為載氣和保護氣，升溫速率為280-285K/min，在750-850°C條件下用流速為3. 1-7. 5mL/min的水蒸氣活化處理O. 5-2小
時，最后將預處理樣置于干燥器中保存?zhèn)溆?；步驟S12，對預處理后的煤質柱狀和椰殼顆粒狀活性炭進行化學改性步驟S121，將5_20g預處理過的活性炭浸潰于25-100mL三甲基氯硅烷的甲醇溶液中，兩者的體積比為10-15 12-17，室溫下振蕩30-90min，靜置20-24小時后過濾；步驟S122，將過濾所得樣品放入真空干燥箱中抽真空除去多余的三甲基氯硅烷和甲醇溶劑，于60-90°C真空干燥20-24小時，冷卻至室溫后取出；步驟S123，改用鼓風恒溫干燥箱，100-130°C加熱24小時，改性樣品于干燥器中保
存?zhèn)溆?。進一步，該制備方法采用4-8目的椰殼顆?；钚蕴俊⒅睆綖?_3mm的煤質柱狀活性炭。進一步,所述超疏水活性炭改性材料的疏水性能分別通過接觸角測試和液態(tài)水吸附實驗來檢測，并運用苯吸附實驗和碘值測試來驗證吸附性。本發(fā)明提供了一種超疏水活性炭改性材料的制備方法，運用化學液相浸潰法，以三甲基氯硅烷為改性劑，無水甲醇為溶劑，分別以預處理后的煤質柱狀和椰殼顆粒狀活性炭為載體，經過液相浸潰、真空干燥、普通鼓風干燥制得，疏水性能分別通過接觸角測試和液態(tài)水吸附實驗來檢測，并運用苯吸附實驗和碘值測試來驗證吸附性，制備過程簡單，耗材量小，制備條件溫和，在室溫下即可進行，制備的活性炭改性材料具有超疏水的表面化學性能和較大的孔容，彌補了高濕度下多孔炭材料易吸濕、吸附目標有機物的容量小的不足，易于回收，可重復循環(huán)利用，不僅節(jié)約了工業(yè)成本，更為工業(yè)化應用奠定了基礎。


圖1是本發(fā)明實施例提供的超疏水活性炭改性材料的制備方法的流程圖；圖2(a)是本發(fā)明實施例提供的煤質柱狀活性炭及其改性材料在水中的表觀狀態(tài)示意圖；圖2(b)是本發(fā)明實施例提供的椰殼顆粒狀活性炭及其改性材料在水中的表觀狀態(tài)；圖3 (a)是本發(fā)明實施例提供的水滴分別在原活性炭粉上的表觀狀態(tài)；圖3(b)是本發(fā)明實施例提供的水滴在玻璃板上的表觀狀態(tài)；圖3(c)是本發(fā)明實施例提供的水滴在改性的新型活性炭粉上的表觀狀態(tài)；圖4是本發(fā)明實施例提供的煤質柱狀活性炭及其改性材料與水的接觸角示意圖；圖5是本發(fā)明實施例提供的椰殼顆粒狀活性炭及其改性材料與水的接觸角示意圖；圖6是本發(fā)明實施例提供的煤質柱狀活性炭及其改性材料對水吸收率隨浸潰時間的變化關系不意圖；圖7是本發(fā)明實施例提供的椰殼顆粒狀活性炭及其改性材料對水吸收率隨浸潰時間的變化關系不意圖；圖8是本發(fā)明實施例提供的煤質柱狀活性炭、椰殼顆粒狀活性炭及其改性材料的碘吸附值圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定發(fā)明。
本發(fā)明的目的在于提供一種超疏水活性炭改性材料的制備方法，該制備方法以三甲基氯硅烷為改性劑，無水甲醇為溶劑，分別以預處理后的煤質柱狀和椰殼顆粒狀活性炭為載體，經過液相浸潰、真空干燥、普通鼓風干燥制得超疏水活性炭改性材料。圖1示出了本發(fā)明實施例提供的超疏水活性炭改性材料的制備方法的實現(xiàn)流程。該制備方法的具體實現(xiàn)步驟為步驟SI I，對煤質柱狀和椰殼顆粒狀活性炭進行預處理步驟S111，分別以比表面積為600_1500m2/g的椰殼顆?；钚蕴亢兔嘿|柱狀活性炭為原料，先采用濃度為l_4mol/L的氫氧化鈉溶液浸潰振蕩10-24小時，過濾得濾液；步驟S112，用去離子水洗滌至濾液為中性，再以3. 83-18. 09 七％的鹽酸溶液浸潰振蕩10-24小時后，過濾，用去離子水洗滌至濾液為中性；步驟S113，樣品裝入燒杯加適量去離子水，接著放入在功率為500-1000W的超聲波儀中清洗30-90min，過濾后置于80_130°C干燥箱中干燥14-20小時；步驟S114，干燥后的活性炭置于活化爐中，以氮氣為載氣和保護氣，升溫速率為280-285K/min，在750-850°C條件下用流速為3. 1-7. 5mL/min的水蒸氣活化處理O. 5-2小
時，最后將預處理樣置于干燥器中保存?zhèn)溆?；步驟S12，對預處理后的煤質柱狀和椰殼顆粒狀活性炭進行化學改性步驟S121，將5_20g預處理過的活性炭浸潰于25-100mL三甲基氯硅烷的甲醇溶液中，兩者的體積比為10-15 12-17，室溫下振蕩30-90min，靜置20-24小時后過濾；步驟S122，將過濾所得樣品放入真空干燥箱中抽真空除去多余的三甲基氯硅烷和甲醇溶劑，于60-90°C真空干燥20-24小時，冷卻至室溫后取出；步驟S123，改用鼓風恒溫干燥箱，100_130°C加熱24小時，改性樣品于干燥器中保
存?zhèn)溆?。進一步，該制備方法采用4-8目的椰殼顆粒活性炭、直徑為2_3mm的煤質柱狀活性炭。進一步,所述超疏水活性炭改性材料的疏水性能分別通過接觸角測試和液態(tài)水吸附實驗來檢測，并運用苯吸附實驗和碘值測試來驗證吸附性。下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明的應用原理作進一步描述。本發(fā)明是通過如下技術方案來實現(xiàn)的本發(fā)明以三甲基氯硅烷為改性劑，無水甲醇為溶劑，分別以預處理后的煤質柱狀和椰殼顆粒狀活性炭為載體，經過液相浸潰、真空干燥、普通鼓風干燥制得。本發(fā)明超疏水活性炭改性材料的制備方法為
(I)活性炭的預處理。分別以比表面積為600_1500m2/g的椰殼顆?；钚蕴?HN-Y17，唐山華能科技炭業(yè)有限公司，4-8目)和煤質柱狀活性炭(HZ-8040，寧夏廣華奇思活性炭有限公司，Φ2-3πιπι)為原料，先采用濃度為l_4mol/L的氫氧化鈉溶液浸潰振蕩10-24h，然后過濾，用去離子水洗滌至濾液為中性，再以3. 83-18. 09￥七％的鹽酸溶液浸潰振蕩10-24h后，過濾，用去離子水洗滌至濾液為中性，樣品裝入燒杯加適量去離子水，接著放入在功率為500-1000W的超聲波儀中清洗30-90min，過濾后置于80_130°C干燥箱中干燥14-20h，干燥后的活性炭置于活化爐中，以氮氣為載氣和保護氣，升溫速率為280-285K/min，在750-850°C條件下用水蒸氣(3. 1-7. 5mL/min)活化處理O. 5_2h，最后將預處理樣置于干燥器中保存?zhèn)溆谩?2)活性炭的化學改性。5-20g預處理過的活性炭浸潰于25-100mL三甲基氯硅烷的甲醇溶液中，兩者的體積比為10-15 12-17，室溫下振蕩30-90min，靜置20-24h，過濾，然后將樣品放入真空干燥箱中抽真空除去多余的三甲基氯硅烷和甲醇溶劑，于60-90°C真空干燥20-24h，冷卻至室溫后取出，然后改用鼓風恒溫干燥箱，100-130°C加熱24h，改性樣品于干燥器中保存?zhèn)溆谩?發(fā)明的超疏水活性炭改性材料的應用方法實施例1:分別將改性制得的椰殼活性炭和煤質活性炭進行接觸角測試，首先將活性炭原材料和改性制備材料碾磨成粉末狀，再將粉末狀活性炭均勻地鋪展在不同的玻璃片上，通過加水滴、拍攝、測量得出與水的接觸角。椰殼炭材料改性前后與水的接觸角分別是29.1°和159. 8°，煤質炭材料改性前后與水的接觸角分別是28. 1°和157. 8°。由此說明本發(fā)明所制備的活性炭改性材料具有超疏水性能。實施例2 :分別將改性制得的椰殼活性炭和煤質活性炭進行吸水實驗測試，條件為室溫下分別將等質量的改性前后的炭材料置于25°C的水中，通過差量法對不同時間段活性炭對水的吸附能力。由實驗結果表明，靜置于25°C的水中8h后，椰殼炭材料改性前后相對吸水率分別為33. 08%和92. 61%，煤質炭材料改性前后相對吸水率分別為31. 71%和97. 35%。實驗結果再次說明本發(fā)明所制備的活性炭改性材料具有超疏水性能。實施例3 :分別將改性制得的椰殼活性炭和煤質活性炭進行碘值測試，首先用移液管移入IOOmL配制并標定好的碘溶液(O. lmol/L)，塞緊塞子，用遮光材料包起來(碘見光會分解，為減少誤差，需遮光進行)，振搖15min，過濾出清液用配好的Na2S2O3 (O. lmol/L)滴定。實驗結果如圖6所示。本發(fā)明給出的參數(shù)值是比例值，同比例的放大或者縮小，同樣屬于本發(fā)明的保護范圍。由圖2(a)和圖2(b)可看到原活性炭炭和制備的新型活性炭在水中的表觀狀態(tài)，經改性后，活性炭漂浮在水面上，而未改性炭吸水后沉入杯底，這說明本發(fā)明的新型活性炭具有很好的疏水特性。由圖3(a)、(b)、(C)可看到水滴分別在原活性炭粉、玻璃板和改性的新型活性炭粉上的表觀狀態(tài)，水滴在未改性炭粉上鋪展，而在改性炭粉上凝聚，類似于水滴在玻璃板上的狀態(tài)，這再次說明本發(fā)明的新型活性炭具有很好的疏水特性。由圖4得到煤質柱炭及其改性材料與水的接觸角分別是28. 1°和157. 8°，說明制備的改性材料具有超疏水性能。
由圖5得到椰殼粒炭及其改性材料與水的接觸角分別是29.1°和159. 8°，說明制備的改性材料具有超疏水性能。圖6及圖7為原活性炭和制備的新型活性炭各自對水吸收率隨浸潰時間的變化關系，從圖中可以得出浸潰5min時煤質改性材料吸水率是原活性炭吸水率的21. 18%，浸潰8h后，改性炭的含水率僅為31. 71 %，而未改性炭含水率高達97. 35%。類似地，浸潰5min時椰殼改性材料吸水率是原活性炭吸水率的18. 31%，浸潰8h后，改性炭的含水率僅為33. 08%，而未改性炭含水率高達92. 61%。圖8為原活性炭和制備的新型活性炭各自的碘值，改性后的材料碘值并沒有下降，反而有細微地增加，表明改性后的材料依然具有較強的吸附能力，再者說明三甲基氯硅烷的高效負載，避免了孔堵現(xiàn)象，從而驗證了本發(fā)明的新型活性炭兼?zhèn)湮叫阅芎统杷匦?。本發(fā)明涉及一種超疏水活性炭改性材料的制備方法，通過化學液相浸潰法將有小分子的有機硅烷負載到活性炭表面上制備的新型超疏水吸附材料，其不僅具有超疏水的特性，而且還具有一定的吸附性能，運用化學液相浸潰法，以三甲基氯硅烷為改性劑，無水甲醇為溶劑，分別以預處理后的煤質柱狀和椰殼顆粒狀活性炭為載體，經過液相浸潰、真空干燥、普通鼓風干燥制得，疏水性能分別通過接觸角測試和液態(tài)水吸附實驗來檢測，并運用了苯吸附實驗和碘值測試來驗證本發(fā)明的吸附性。本發(fā)明制備過程簡單，耗材量小，制備條件溫和，在室溫下即可進行，制備的活性炭改性材料具有超疏水的表面化學性能和較大的孔容，彌補了高濕度下多孔炭材料易吸濕、吸附目標有機物的容量小等不足，并且本發(fā)明易于回收，可重復循環(huán)利用，不僅節(jié)約了工業(yè)成本，更為工業(yè)化應用奠定了基礎。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有顯著的特點與進步1、在國內首次將三甲基氯硅烷用于活性炭的疏水改性上，使得活性炭具有超疏水的性能，為處理海上油污以及高濕度下回收有機溶劑等提供了新型的吸附材料；2、超疏水活性炭改性材料制備過程簡單，條件溫和，利于實現(xiàn)工業(yè)化生產；3、本發(fā)明的活性炭改性材料具備抗?jié)袷杷阅埽苡行p弱水的競爭吸附能力，在高濕度下對有機物仍然具有較高的吸附能力，可以廣泛用于高濕度下有機溶劑的吸附與回收；4、高效負載是通過合適的配比將三甲基氯硅烷與活性炭表面官能團進行化學聯(lián)合作用，從而將其有效地負載于活性炭的表面，既解決了修飾物造成的孔堵現(xiàn)象，又有效地利用了三甲基氯硅烷，節(jié)約了成本。本發(fā)明實施例提供了一種超疏水活性炭改性材料的制備方法，通過化學液相浸潰法將有小分子的有機硅烷負載到活性炭表面上制備的新型超疏水吸附材料，不僅具有超疏水的特性，而且還具有一定的吸附性能，運用化學液相浸潰法，以三甲基氯硅烷為改性劑，無水甲醇為溶劑，分別以預處理后的煤質柱狀和椰殼顆粒狀活性炭為載體，經過液相浸潰、真空干燥、普通鼓風干燥制得，疏水性能分別通過接觸角測試和液態(tài)水吸附實驗來檢測，并運用苯吸附實驗和碘值測試來驗證吸附性，制備過程簡單，耗材量小，制備條件溫和，在室溫下即可進行，制備的活性炭改性材料具有超疏水的表面化學性能和較大的孔容，彌補了高濕度下多孔炭材料易吸濕、吸附目標有機物的容量小的不足，易于回收，可重復循環(huán)利用，不僅節(jié)約了工業(yè)成本，更為工業(yè)化應用奠定了基礎。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種超疏水活性炭改性材料的制備方法，其特征在于，該制備方法以三甲基氯硅烷為改性劑，無水甲醇為溶劑，分別以預處理后的煤質柱狀和椰殼顆粒狀活性炭為載體，經過液相浸潰、真空干燥、普通鼓風干燥制得超疏水活性炭改性材料。
2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，該制備方法的具體實現(xiàn)步驟為 步驟SI I，對煤質柱狀和椰殼顆粒狀活性炭進行預處理 步驟SI 11，分別以比表面積為600-1500m2/g的椰殼顆?；钚蕴亢兔嘿|柱狀活性炭為原料，先采用濃度為l_4mol/L的氫氧化鈉溶液浸潰振蕩10-24小時，過濾得濾液； 步驟S112，用去離子水洗滌至濾液為中性，再以3. 83-18. 09wt%的鹽酸溶液浸潰振蕩10-24小時后，過濾，用去離子水洗滌至濾液為中性； 步驟S113，樣品裝入燒杯加適量去離子水，接著放入在功率為500-1000W的超聲波儀中清洗30-90min，過濾后置于80_130°C干燥箱中干燥14-20小時； 步驟S114，干燥后的活性炭置于活化爐中，以氮氣為載氣和保護氣，升溫速率為280-285K/min，在750-850°C條件下用流速為3. 1-7. 5mL/min的水蒸氣活化處理O. 5-2小時，最后將預處理樣置于干燥器中保存?zhèn)溆茫? 步驟S12，對預處理后的煤質柱狀和椰殼顆粒狀活性炭進行化學改性步驟S121，將5-20g預處理過的活性炭浸潰于25-100mL三甲基氯硅烷的甲醇溶液中，兩者的體積比為10-15 12-17，室溫下振蕩30-90min，靜置20-24小時后過濾； 步驟S122，將過濾所得樣品放入真空干燥箱中抽真空除去多余的三甲基氯硅烷和甲醇溶劑，于60-90°C真空干燥20-24小時，冷卻至室溫后取出； 步驟S123，改用鼓風恒溫干燥箱，100-130°C加熱24小時，改性樣品于干燥器中保存?zhèn)溆谩?br> 3.如權利要求2所述的制備方法，其特征在于，該制備方法采用4-8目的椰殼顆?；钚蕴俊⒅睆綖?-3mm的煤質柱狀活性炭。
4.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述超疏水活性炭改性材料的疏水性能分別通過接觸角測試和液態(tài)水吸附實驗來檢測，并運用苯吸附實驗和碘值測試來驗證吸附性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超疏水活性炭改性材料的制備方法，運用化學液相浸漬法，以三甲基氯硅烷為改性劑，無水甲醇為溶劑，分別以預處理后的煤質柱狀和椰殼顆粒狀活性炭為載體，經過液相浸漬、真空干燥、普通鼓風干燥制得，疏水性能分別通過接觸角測試和液態(tài)水吸附實驗來檢測，并運用苯吸附實驗和碘值測試來驗證吸附性，制備過程簡單，耗材量小，制備條件溫和，在室溫下即可進行，制備的活性炭改性材料具有超疏水的表面化學性能和較大的孔容，彌補了高濕度下多孔炭材料易吸濕、吸附目標有機物的容量小的不足，易于回收，可重復循環(huán)利用，不僅節(jié)約了工業(yè)成本，更為工業(yè)化應用奠定了基礎。
文檔編號B01J20/20GK102989414SQ20121047653
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權日2012年11月22日
發(fā)明者鄭經堂, 肖慧吉, 郅利鵬, 梁鵬, 吳明鉑, 薛慶忠, 劉倩, 江波, 閆子峰, 仇實, 衛(wèi)振興 申請人:中國石油大學(華東)