【技術(shù)領域】
本發(fā)明涉及材料生產(chǎn)技術(shù)領域，尤其是一種用于污水處理的碳材料的制作方法。
【技術(shù)背景】
碳是世界上含量很廣的元素，它具有多樣的電子軌道特性，導致了其晶體的各向異性和其排列的各向異性，使碳質(zhì)材料具有各式各樣的性質(zhì)及形態(tài)，活性炭由80％-90％以上的碳組成，因為其擁有復雜的孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，是目前應用最廣的吸附材料，也是一種疏水性吸附劑，傳統(tǒng)的碳材料包括活性炭、木炭、石墨等，溶液中水和離子在進入活性炭孔隙中會發(fā)生重疊，因此，適當?shù)幕钚蕴靠讖接欣谖劫|(zhì)向孔內(nèi)擴散，使吸附作用更為穩(wěn)定、有效。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
鑒于以上提出的問題，本發(fā)明提供了一種用于污水處理的碳材料的制作方法，這種用于污水處理的碳材料及其孔隙率高，有較高的比表面積，孔徑分布均勻，具備良好的吸附效果，可應用于污水處理等技術(shù)領域。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
一種用于污水處理的碳材料的制作方法，包括以下步驟：
(1)原料：制作用于污水處理的碳材料的主要原料包括無煙煤、椰殼和木屑；
(2)預處理：將煙煤、椰殼和木屑混合，將混合物放入粉碎機中粉碎至粒度小于1cm，得到混合物a；將混合物a放入質(zhì)量濃度為3-4％的硝酸溶液中浸漬8-10h，用水洗至中性，干燥后于溫度為300-350℃下進行炭化，炭化5-6h后取出，制得預處理材料b；
(3)浸漬：將步驟(2)所述預處理材料b與浸漬劑混合，于超聲波震蕩條件下浸漬5-7h后，于80-105℃下干燥6-8h取出，得到物質(zhì)c；其中，所述浸漬劑為8-12wt％的硫酸鎂溶液；
(4)炭化：將步驟(3)干燥后的物質(zhì)c放入炭化爐中，以3-5℃/min的升溫速率升溫至450-550℃，并保持炭化3-4h取出，冷卻至常溫，得到物質(zhì)d；
(5)改性：將步驟(4)所得物質(zhì)d放入其總質(zhì)量2-3倍的改性溶劑中浸漬8-10h后，過濾，將固體殘渣放于95-100℃條件下干燥8-10h后，取出將其破碎至粒度為0.25-0.3mm，再將破碎后的粉末于混合氣體環(huán)境下，以3-5℃/min的升溫速率升溫至700-750℃并保溫30-35min，取出冷卻后，即得到碳材料；其中，所述改性溶劑為質(zhì)量濃度為25-30％的過氧化氫溶液；所述混合氣體為體積流量是150-200ml/min的氨氣、體積流量是4-6ml/min的二氧化碳與體積流量是300-350ml/min氮氣的組合。
進一步地，在步驟(1)中，所述無煙煤、椰殼和木屑的質(zhì)量比為2-4:4-6:1。
進一步地，在步驟(1)中，所述無煙煤、椰殼和木屑的質(zhì)量比為3:5:1。
進一步地，在步驟(3)中，所述超聲波為50-60khz。
進一步地，在步驟(5)中，所述改性溶劑為質(zhì)量濃度為27％的過氧化氫溶液。
進一步地，在步驟(5)中，所述混合氣體為體積流量是160ml/min的氨氣、體積流量是5ml/min的二氧化碳與體積流量是320ml/min氮氣的組合。
本發(fā)明的一種用于污水處理的碳材料的制作方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：
本發(fā)明制作所得的碳材料所用主要原料為無煙煤、椰殼和木屑，其中，無煙煤中碳元素所占比例在90％以上，具有較好的結(jié)構(gòu)強度，雜質(zhì)含量少，且來源廣泛，是制作炭材料的良好原料，能提高產(chǎn)品的收率；椰殼和木屑作為生物質(zhì)原料，其微觀形態(tài)較為規(guī)則，經(jīng)過擴孔、炭化等處理后可制成孔隙結(jié)構(gòu)規(guī)則的炭材料，將無煙煤、椰殼和木屑粉碎、浸漬、清洗、再進行炭化，脫出灰分以及焦油成分，制成預處理材料b；再將預處理材料b放入浸漬劑中，于超聲波環(huán)境下浸漬，超聲波的強度可使預處理材料b中的微孔結(jié)構(gòu)坍塌，形成中孔結(jié)構(gòu)，提高了材料的中孔率，再將浸漬后的預處理材料b在高溫環(huán)境下進行炭化，可使浸漬劑中的硫元素穩(wěn)固的附著在材料的孔隙當中，使其的吸附性能更加強烈和穩(wěn)固；最后，對上述所得物質(zhì)放入過氧化氫溶液中浸漬，將浸漬后的物質(zhì)干燥后于混合氣氛中升溫炭化，得到最終的碳材料，其中，混合氣氛是由氨氣、二氧化碳和氮氣混合組成，氨氣氣氛能夠拓寬空隙，增加微孔、中孔的孔隙率，二氧化碳氣氛能夠增加活性炭中的碳含量，提高活性炭穩(wěn)定性和機械強度，氮氣氣氛是一種惰性氣體，可以使活性炭在碳化過程中保持缺氧狀態(tài)，防止活性炭被過度氧化而降低產(chǎn)量。
本發(fā)明制備的碳材料以一定比例的無煙煤、椰殼和木屑為原料，該方法可以穩(wěn)定無煙煤、椰殼和木屑中的活性支鏈結(jié)構(gòu)，提高材料的強度，在改性過程中，于程序升溫過程中通入的混合氣氛能進一步夠拓寬空隙，使所得的產(chǎn)品的孔洞均勻且孔隙率高，有較高的比表面積，同時，保證所得碳材料的機械強度，有較為穩(wěn)定的孔隙結(jié)構(gòu)，增加產(chǎn)品的收率。
總之，本發(fā)明提供了一種用于污水處理的碳材料及其制作方法，這種方法所制得的碳材料的孔隙率高，有較高的比表面積，機械強度好，具備良好的吸附作用，本發(fā)明的制作方法安全，有很好的應用前景。
【具體實施方式】
下面的實施例可以幫助本領域的技術(shù)人員更全面的理解本發(fā)明，但不可以以任何方式限制本發(fā)明。
實施例1
一種用于污水處理的碳材料的制作方法，包括以下步驟：
(1)原料：制作用于污水處理的碳材料的主要原料包括無煙煤、椰殼和木屑；其中，所述無煙煤、椰殼和木屑的質(zhì)量比為2:4:1；
(2)預處理：將煙煤、椰殼和木屑混合，將混合物放入粉碎機中粉碎至粒度小于1cm，得到混合物a；將混合物a放入質(zhì)量濃度為3％的硝酸溶液中浸漬8h，用水洗至中性，干燥后于溫度為300℃下進行炭化，炭化5h后取出，制得預處理材料b；
(3)浸漬：將步驟(2)所述預處理材料b與浸漬劑混合，于超聲波震蕩條件下浸漬5h后，于80℃下干燥6h取出，得到物質(zhì)c；其中，所述浸漬劑為8wt％的硫酸鎂溶液，所述超聲波為50khz；
(4)炭化：將步驟(3)干燥后的物質(zhì)c放入炭化爐中，以3℃/min的升溫速率升溫至450℃，并保持炭化3h取出，冷卻至常溫，得到物質(zhì)d；
(5)改性：將步驟(4)所得物質(zhì)d放入其總質(zhì)量2倍的改性溶劑中浸漬8h后，過濾，將固體殘渣放于95℃條件下干燥8h后，取出將其破碎至粒度為0.25mm，再將破碎后的粉末于混合氣體環(huán)境下，以3℃/min的升溫速率升溫至700℃并保溫30min，取出冷卻后，即得到碳材料；其中，所述改性溶劑為質(zhì)量濃度為25％的過氧化氫溶液；所述混合氣體為體積流量是150ml/min的氨氣、體積流量是4ml/min的二氧化碳與體積流量是300ml/min氮氣的組合。
實施例2
一種用于污水處理的碳材料的制作方法，包括以下步驟：
(1)原料：制作用于污水處理的碳材料的主要原料包括無煙煤、椰殼和木屑；其中，所述無煙煤、椰殼和木屑的質(zhì)量比為4:6:1；
(2)預處理：將煙煤、椰殼和木屑混合，將混合物放入粉碎機中粉碎至粒度小于1cm，得到混合物a；將混合物a放入質(zhì)量濃度為4％的硝酸溶液中浸漬10h，用水洗至中性，干燥后于溫度為350℃下進行炭化，炭化6h后取出，制得預處理材料b；
(3)浸漬：將步驟(2)所述預處理材料b與浸漬劑混合，于超聲波震蕩條件下浸漬7h后，于105℃下干燥8h取出，得到物質(zhì)c；其中，所述浸漬劑為12wt％的硫酸鎂溶液，所述超聲波為60khz；
(4)炭化：將步驟(3)干燥后的物質(zhì)c放入炭化爐中，以5℃/min的升溫速率升溫至550℃，并保持炭化4h取出，冷卻至常溫，得到物質(zhì)d；
(5)改性：將步驟(4)所得物質(zhì)d放入其總質(zhì)量3倍的改性溶劑中浸漬10h后，過濾，將固體殘渣放于100℃條件下干燥10h后，取出將其破碎至粒度為0.3mm，再將破碎后的粉末于混合氣體環(huán)境下，以5℃/min的升溫速率升溫至750℃并保溫35min，取出冷卻后，即得到碳材料；其中，所述改性溶劑為質(zhì)量濃度為30％的過氧化氫溶液；所述混合氣體為體積流量是200ml/min的氨氣、體積流量是6ml/min的二氧化碳與體積流量是350ml/min氮氣的組合。
實施例3
一種用于污水處理的碳材料的制作方法，包括以下步驟：
(1)原料：制作用于污水處理的碳材料的主要原料包括無煙煤、椰殼和木屑；其中，所述無煙煤、椰殼和木屑的質(zhì)量比為3:5:1；
(2)預處理：將煙煤、椰殼和木屑混合，將混合物放入粉碎機中粉碎至粒度小于1cm，得到混合物a；將混合物a放入質(zhì)量濃度為3.5％的硝酸溶液中浸漬9h，用水洗至中性，干燥后于溫度為320℃下進行炭化，炭化5.5h后取出，制得預處理材料b；
(3)浸漬：將步驟(2)所述預處理材料b與浸漬劑混合，于超聲波震蕩條件下浸漬6h后，于95℃下干燥7h取出，得到物質(zhì)c；其中，所述浸漬劑為10wt％的硫酸鎂溶液，所述超聲波為55khz；
(4)炭化：將步驟(3)干燥后的物質(zhì)c放入炭化爐中，以4℃/min的升溫速率升溫至500℃，并保持炭化3.5h取出，冷卻至常溫，得到物質(zhì)d；
(5)改性：將步驟(4)所得物質(zhì)d放入其總質(zhì)量2.5倍的改性溶劑中浸漬9h后，過濾，將固體殘渣放于98℃條件下干燥9h后，取出將其破碎至粒度為0.28mm，再將破碎后的粉末于混合氣體環(huán)境下，以4℃/min的升溫速率升溫至720℃并保溫33min，取出冷卻后，即得到碳材料；其中，所述改性溶劑為質(zhì)量濃度為27％的過氧化氫溶液；所述混合氣體為體積流量是160ml/min的氨氣、體積流量是5ml/min的二氧化碳與體積流量是320ml/min氮氣的組合。
對比例1
一種用于污水處理的碳材料的制作方法，包括以下步驟：
(1)原料：制作用于污水處理的碳材料的主要原料包括椰殼和木屑；其中，所述椰殼和木屑的質(zhì)量比為5:1；
(2)預處理：將椰殼和木屑混合，將混合物放入粉碎機中粉碎至粒度小于1cm，得到混合物a；將混合物a放入質(zhì)量濃度為3.5％的硝酸溶液中浸漬9h，用水洗至中性，干燥后于溫度為320℃下進行炭化，炭化5.5h后取出，制得預處理材料b；
(3)浸漬：將步驟(2)所述預處理材料b與浸漬劑混合，于超聲波震蕩條件下浸漬6h后，于95℃下干燥7h取出，得到物質(zhì)c；其中，所述浸漬劑為10wt％的硫酸鎂溶液，所述超聲波為55khz；
(4)炭化：將步驟(3)干燥后的物質(zhì)c放入炭化爐中，以4℃/min的升溫速率升溫至500℃，并保持炭化3.5h取出，冷卻至常溫，得到物質(zhì)d；
(5)改性：將步驟(4)所得物質(zhì)d放入其總質(zhì)量2.5倍的改性溶劑中浸漬9h后，過濾，將固體殘渣放于98℃條件下干燥9h后，取出將其破碎至粒度為0.28mm，再將破碎后的粉末于混合氣體環(huán)境下，以4℃/min的升溫速率升溫至720℃并保溫33min，取出冷卻后，即得到碳材料；其中，所述改性溶劑為質(zhì)量濃度為27％的過氧化氫溶液；所述混合氣體為體積流量是160ml/min的氨氣、體積流量是5ml/min的二氧化碳與體積流量是320ml/min氮氣的組合。
對比例2
一種用于污水處理的碳材料的制作方法，包括以下步驟：
(1)原料：制作用于污水處理的碳材料的主要原料包括無煙煤、椰殼和木屑；其中，所述無煙煤、椰殼和木屑的質(zhì)量比為3:5:1；
(2)預處理：將煙煤、椰殼和木屑混合，將混合物放入粉碎機中粉碎至粒度小于1cm，得到混合物a；將混合物a放入質(zhì)量濃度為3.5％的硝酸溶液中浸漬9h，用水洗至中性，干燥后于溫度為320℃下進行炭化，炭化5.5h后取出，制得預處理材料b；
(3)改性：將步驟(2)所得預處理材料b放入其總質(zhì)量2.5倍的改性溶劑中浸漬9h后，過濾，將固體殘渣放于98℃條件下干燥9h后，取出將其破碎至粒度為0.28mm，再將破碎后的粉末于混合氣體環(huán)境下，以4℃/min的升溫速率升溫至720℃并保溫33min，取出冷卻后，即得到碳材料；其中，所述改性溶劑為質(zhì)量濃度為27％的過氧化氫溶液；所述混合氣體為體積流量是160ml/min的氨氣、體積流量是5ml/min的二氧化碳與體積流量是320ml/min氮氣的組合。
對比例3
一種用于污水處理的碳材料的制作方法，包括以下步驟：
(1)原料：制作用于污水處理的碳材料的主要原料包括無煙煤、椰殼和木屑；其中，所述無煙煤、椰殼和木屑的質(zhì)量比為3:5:1；
(2)預處理：將煙煤、椰殼和木屑混合，將混合物放入粉碎機中粉碎至粒度小于1cm，得到混合物a；將混合物a放入質(zhì)量濃度為3.5％的硝酸溶液中浸漬9h，用水洗至中性，干燥后于溫度為320℃下進行炭化，炭化5.5h后取出，制得預處理材料b；
(3)浸漬：將步驟(2)所述預處理材料b與浸漬劑混合，于超聲波震蕩條件下浸漬6h后，于95℃下干燥7h取出，得到物質(zhì)c；其中，所述浸漬劑為10wt％的硫酸鎂溶液，所述超聲波為55khz；
(4)炭化：將步驟(3)干燥后的物質(zhì)c放入炭化爐中，以4℃/min的升溫速率升溫至500℃，并保持炭化3.5h取出，冷卻至常溫，即得到碳材料。
實驗案例：
本發(fā)明經(jīng)過大量的實驗操作，對上述幾組實驗所得的產(chǎn)品進行檢測，測試各項參數(shù)，記錄實驗數(shù)據(jù)，參數(shù)見表1。
表1本發(fā)明與對比例的對比結(jié)果
從上述表1中可以看出，采用本發(fā)明實施例1-3方法制得的用于污水處理的碳材料及其各項指標均好于對比例1-3的材料，說明采用本發(fā)明原料和方法制得的材料，其孔徑均勻，比表面積值較高，吸附性能更好。
其中，對比例1與實施例3相比，制作用于污水處理的碳材料的原料不同，并未使用無煙煤，其他方式與實施例3相同，這種產(chǎn)品的比表面積較低，吸附效果較差，說明本發(fā)明的將無煙煤添加至原料中，經(jīng)過進一步的加工能提高中孔率和各項性能。
對比例2與實施例3相比，制作過程中并未經(jīng)過硫酸鎂浸漬和炭化，其他方式與實施例3相同，所得到的產(chǎn)品的比表面積較小，吸附效果也相對較差，說明本發(fā)明的制作方法中用硫酸鎂浸漬后炭化對碳材料的制作有較大的幫助，從而能提高產(chǎn)品的各項特性，提高產(chǎn)品的吸附率。
對比例3與實施例3相比，制作時并未經(jīng)過改性處理，其他方式與實施例3相同，所得到的產(chǎn)品的比表面積較小，吸附效果也相對較差，與其他對比例相比，對比例3的吸附性能也較差，說明本發(fā)明的制作方法中將產(chǎn)物經(jīng)過改性處理能有效提高產(chǎn)品的吸附性能。
雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實施方案對本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎上，可以對之作一些修改或改進，這對本領域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎上所做的這些修改或改進，均屬于本發(fā)明要求保護的范圍。