本發(fā)明涉及一種伊利石負(fù)載納米碳復(fù)合吸附材料及其制備方法，屬于非金屬礦物材料和環(huán)境工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

當(dāng)今社會(huì)，廢水污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。在一些地區(qū)，廢水污染已經(jīng)嚴(yán)重破壞了生態(tài)平衡，直接威脅到人類的生存。傳統(tǒng)的污染廢水處理技術(shù)包括化學(xué)沉淀法、離子交換法、膜滲透法和共沉淀法等。但這些方法普遍存在著運(yùn)行成本高、處理效率低和重復(fù)使用困難等問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。吸附法具有操作過(guò)程簡(jiǎn)便、處理能力大、可以重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的廢水處理技術(shù)。常見的吸附劑材料有活性炭、生物質(zhì)、黏土礦物和合成樹脂等?；钚蕴坎牧嫌捎诰哂袃?yōu)良的吸附性能、較大的比表面積、發(fā)達(dá)的空隙和較高的化學(xué)穩(wěn)定性，是一種使用最廣泛的吸附劑材料。但活性炭材料一般采用化學(xué)氣相沉積和高溫分解等方法制備，存在制備過(guò)程復(fù)雜、能耗高等缺點(diǎn)。導(dǎo)致商品活性炭的價(jià)格比較高，而且由于使用壽命短、再生難和操作費(fèi)用高等問(wèn)題，無(wú)法在工業(yè)上大范圍使用。此外，純的碳納米顆粒粒徑較小，分離回收困難；表面能高，容易發(fā)生團(tuán)聚，影響其吸附性能。

為了克服以上缺點(diǎn)，科研工作者以礦物為模板載體，將納米碳顆粒負(fù)載到載體表面制備成礦物負(fù)載納米碳復(fù)合吸附材料。

文獻(xiàn)H.Hadjar,B.Hamdi,C.O.Ania,Adsorption of p-cresol on novel diatomite/carbon composites,Journal of hazardous materials，2011，188：304-310.以硅藻土為載體，木炭為碳源，先將二者混合，在氮?dú)夥諊乱?℃/min的升溫速率升溫到850℃進(jìn)行熱處理1h；然后將熱處理產(chǎn)物采用鹽酸進(jìn)行化學(xué)處理；最后用蒸餾水將樣品洗滌至中性，在110℃下干燥過(guò)夜制得硅藻土負(fù)載納米碳復(fù)合材料。這種方法中所用的碳源本身就是一種化學(xué)產(chǎn)品，原料價(jià)格昂貴；采用850℃高溫進(jìn)行熱處理，反應(yīng)條件苛刻，能耗高；制備過(guò)程中還采用高濃度的鹽酸，操作環(huán)境不安全，工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，酸處理樣品需要用大量蒸餾水洗滌，而且廢液中的Cl^-難以處理，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重；整個(gè)工藝流程復(fù)雜，反應(yīng)條件苛刻。

針對(duì)上述礦物負(fù)載納米碳復(fù)合吸附材料及其制備方法存在的不足，本發(fā)明申請(qǐng)?zhí)岢鲆环N以伊利石為載體的伊利石負(fù)載納米碳復(fù)合吸附材料及其制備方法。伊利石是一種2:1型的天然層狀硅酸鹽礦物，具有離子交換特性和吸附能力，其微觀形貌呈片狀，這種薄片狀結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，十分有利于納米碳顆粒的負(fù)載，避免純碳顆粒的團(tuán)聚，提高納米碳顆粒的負(fù)載量。而且伊利石來(lái)源廣、生產(chǎn)成本低，使用過(guò)程對(duì)環(huán)境友好。水熱碳化法是混合物以水溶液的形式在密閉容器中進(jìn)行，只需一步水熱合成，制備工藝簡(jiǎn)便、反應(yīng)條件溫和。因此，這種復(fù)合吸附劑材料具有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)方案是，以伊利石為載體，可溶性糖類為碳源，通過(guò)水熱碳化法在伊利石片層表面負(fù)載納米碳，制備出一種伊利石負(fù)載納米碳復(fù)合高效吸附材料。

用本發(fā)明所制備的伊利石負(fù)載納米碳復(fù)合吸附材料，納米碳顆粒平均粒徑為30-50nm，在伊利石片層表面均勻、致密分布，納米碳顆粒負(fù)載量為復(fù)合材料質(zhì)量的30％-70％。

其制備方法及工藝步驟如下：

(1)將伊利石和碳源按質(zhì)量比1:1-4混合，加水?dāng)嚢?、分散制成混合懸浮液，懸浮液濃度?％-15％；所述的伊利石為薄片狀結(jié)構(gòu)，所述的碳源為可溶性糖類，如葡萄糖、蔗糖、纖維素、淀粉等。

(2)將步驟(1)中所得混合懸浮液轉(zhuǎn)移進(jìn)入高壓反應(yīng)釜中，在160-220℃條件下水熱反應(yīng)12-24h；

(3)將步驟(2)中所得反應(yīng)產(chǎn)物用乙醇和水洗滌過(guò)濾、后在60℃下干燥12h；

(4)將步驟(3)中所得烘干產(chǎn)物研磨至97％通過(guò)200目篩。即得到所述的伊利石負(fù)載納米碳復(fù)合吸附材料。

本發(fā)明利用伊利石載體效應(yīng)和較強(qiáng)的吸附能力提高了復(fù)合材料對(duì)污染物吸附捕捉性能和吸附劑的分散性，解決了純碳顆粒的團(tuán)聚問(wèn)題；利用伊利石片狀形貌具有較大的比表面積，提高了納米碳的負(fù)載量；而且所需原料廉價(jià)易得，制備工藝簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和，在廢水處理領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中薄片狀伊利石的SEM圖。

圖2為本發(fā)明中以伊利石為載體所制備的伊利石負(fù)載納米碳復(fù)合吸附材料的SEM圖。

圖3為本發(fā)明中以伊利石為載體所制備的伊利石負(fù)載納米碳復(fù)合吸附材料的TG圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。但并非對(duì)本發(fā)明的限制，凡依照本發(fā)明內(nèi)容所做的任何本領(lǐng)域的等同替換，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1：

具體實(shí)施步驟如下：

(1)取2.5g伊利石和2.5g葡萄糖置于50mL水中分散30min，配置混合懸浮液；

(2)將步驟(1)中所得混合懸浮液轉(zhuǎn)移進(jìn)入高壓反應(yīng)釜中，在160℃條件下水熱反應(yīng)24h；

(3)將步驟(2)中所得反應(yīng)產(chǎn)物用乙醇和水洗滌過(guò)濾、后在60℃下干燥12h；

(4)將步驟(3)中所得烘干產(chǎn)物研磨至97％通過(guò)200目篩，得到伊利石負(fù)載納米碳復(fù)合吸附材料。

實(shí)施例1制備的伊利石負(fù)載納米碳復(fù)合吸附材料的SEM和TG圖見附圖2和3。由圖2可知，伊利石片層表面均勻地負(fù)載了納米碳顆粒，其平均粒徑為30-50nm；由圖3可知，復(fù)合材料中納米碳的負(fù)載量為32.77％。

實(shí)施例2：

與實(shí)施例1中步驟相同，不同之處在于：步驟(1)中蔗糖加入量為5.0g，用60mL水分散；步驟(2)中反應(yīng)溫度為180℃，反應(yīng)時(shí)間為20h；

實(shí)施例3：

與實(shí)施例1中步驟相同，不同之處在于：步驟(1)中淀粉加入量為7.5g，用70mL水分散；步驟(2)中反應(yīng)溫度為200℃，反應(yīng)時(shí)間為16h；

實(shí)施例4:

與實(shí)施例1中步驟相同，不同之處在于：步驟(1)中纖維素加入量為10.0g，用80mL水分散；步驟(2)中反應(yīng)溫度為220℃，反應(yīng)時(shí)間為12h；

按照下面所述的方法，測(cè)試和計(jì)算實(shí)施例1到4中最終產(chǎn)品的性能及參數(shù)，所得的結(jié)果列于表1中。

重金屬離子廢水Cr(VI)的吸附性能測(cè)定：六價(jià)鉻(Cr(VI))被列為所有重金屬離子中的首要污染物。因此，選定Cr(VI)作為目標(biāo)污染物，測(cè)試樣品對(duì)重金屬離子廢水的吸附性能。在特定條件下樣品對(duì)Cr(VI)的吸附容量越大，說(shuō)明其吸附性能越好。本具體實(shí)施方式中，所用Cr(VI)溶液的濃度為50mg/L，每次取20ml的Cr(VI)溶液和0.025g產(chǎn)品混合，在室溫條件下攪拌反應(yīng)12h。反應(yīng)完成后用離心管取樣，經(jīng)高速離心后，取上清液在分光光度計(jì)上258.2nm波長(zhǎng)處測(cè)吸光度值，則Cr(VI)溶液的去除率計(jì)算公式為：去除率＝(C₀－C_e)/C₀×100％，式中C₀為初始Cr(VI)溶液的吸光度值，C_e為反應(yīng)完成時(shí)Cr(VI)溶液的吸光度值。

有機(jī)廢水亞甲基藍(lán)的吸附性能測(cè)定：以亞甲基藍(lán)作為目標(biāo)污染物，測(cè)試樣品對(duì)有機(jī)廢水的吸附性能。本具體實(shí)施方式中，方法和上述重金屬離子Cr(VI)的吸附性能測(cè)定相同。所用亞甲基藍(lán)濃度250mg/L，在分光光度計(jì)上664nm波長(zhǎng)處測(cè)吸光度值。

納米碳的負(fù)載量計(jì)算：由于反應(yīng)過(guò)程中所添加碳源不可能全部水熱碳化沉淀到伊利石片層表面，造成產(chǎn)品的實(shí)際納米碳負(fù)載量要小于其根據(jù)加入碳源的量計(jì)算的理論值。因此，采用METTLER TGA/DSC 1 SF/1382熱重分析儀來(lái)檢測(cè)樣品中納米碳的實(shí)際負(fù)載量。本具體實(shí)施方式中，在氮?dú)夥諊?，將干燥樣品?℃/min的升溫速率從室溫升高至1000℃。納米碳的負(fù)載量為300-600℃溫度范圍的質(zhì)量變化。

表1實(shí)施例1到4中最終產(chǎn)品的性能和參數(shù)