本發(fā)明屬于環(huán)保工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種功能碳材料的合成方法及其在重金屬污水處理中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

重金屬污染已成為威脅人類健康和發(fā)展的重大環(huán)境問題。重金屬主要包括生物毒性顯著的汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷，還包括具有毒性的重金屬銅、鈷、鎳、錫、釩等污染物。重金屬既可以直接進(jìn)入大氣、水體和土壤，并能在大氣、水體和土壤中遷移，造成各類環(huán)境要素的污染。據(jù)報道，全球每年排放到環(huán)境中的有毒重金屬高達(dá)數(shù)百萬噸。以鉻為例，鉻是一種用途非常廣泛的重金屬，據(jù)統(tǒng)計我國約有10％的產(chǎn)品與鉻有關(guān)。工業(yè)廢水中主要是cr⁶⁺的化合物，常以鉻酸根離子[(cro4)^2-]存在。cr⁶⁺的毒性比cr³⁺要高100倍，是強(qiáng)致突變物質(zhì)，可誘發(fā)肺癌和鼻咽癌。我國規(guī)定生活飲用水中六價鉻的濃度應(yīng)低于0.05mg/l，地面水中鉻的最高容許濃度為0.5mg/l(cr³⁺)和0.05mg/l(cr⁶⁺)，工業(yè)廢水中cr⁶⁺及其化合物最高容許排放標(biāo)準(zhǔn)為0.5mg/l。

重金屬的傳統(tǒng)脫除方法有很多，例如化學(xué)沉淀法，需要投加大量化學(xué)藥劑，并以沉淀物的形式沉淀出來，存在二次污染問題；電化學(xué)法耗電量大，廢水處理量小，出水水質(zhì)差，不適合處理低濃度廢水。吸附法是利用吸附劑吸附廢水中重金屬的一種方法，被認(rèn)為是去除痕量重金屬有效的方法。常用的吸附劑有活性炭、沸石、硅藻土等，其中碳材料比表面積大、吸附性能良好、來源廣、成本低，表現(xiàn)出良好的處理效果。本發(fā)明以自然界中廣泛存在且廉價的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)為起始原料，在溫和條件下，經(jīng)溶劑熱法合成亞微球形功能碳材料，之后用于污水中重金屬離子的脫除。所合成功能碳材料不僅具有優(yōu)良的吸附性能，而且能夠利用表面存在的官能團(tuán)將高價態(tài)重金屬離子還原，降低重金屬離子的毒性，是很有發(fā)展?jié)摿Φ闹亟饘購U水處理碳材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀與不足，提供一種制備簡單、吸附容量大、成本低、易分離且可重復(fù)利用的碳材料去除廢水中重金屬的方法，以木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)為原料，通過溶劑熱方法在溫和條件下制備具有強(qiáng)吸附性和還原活性的亞微功能碳材料，用于處理廢水中存在的單一或多種重金屬離子。

一種功能碳材料的合成方法，將生物質(zhì)清洗、干燥并磨碎，收集尺寸小于0.22μm的生物質(zhì)粉末；在水熱反應(yīng)釜內(nèi)將生物質(zhì)粉末與有機(jī)溶劑和12-烷基磺酸鈉混合，生物質(zhì)與有機(jī)溶劑的質(zhì)量比為1:6～100，生物質(zhì)與12-烷基磺酸鈉的質(zhì)量比為1:1～5；密封加熱到120～180℃，反應(yīng)1～10h后，收集碳材料產(chǎn)物并洗滌至ph5.0以上，干燥后獲得功能碳材料。

進(jìn)一步地，所述生物質(zhì)為葡萄糖、殼聚糖、纖維素、甲殼素、核桃殼或蟹殼。

進(jìn)一步地，所述有機(jī)溶劑為[bmim]cl、二甲基亞砜或γ-戊內(nèi)酯。

上述方法合成的功能碳材料在重金屬污水處理中的應(yīng)用，包括以下步驟：

第一步，將功能碳材料添加到重金屬廢水中，重金屬離子與功能碳材料的質(zhì)量濃度比1:1～10；調(diào)節(jié)ph至2～10，在15～35℃振蕩吸附1～7h，固、液分離回收功能碳材料，干燥后備用。

第二步，重復(fù)使用回收的功能碳材料，按照第一步操作繼續(xù)下一批次的重金屬脫除。

進(jìn)一步地，上述重金屬離子為cr⁶⁺、mn²⁺、pb²⁺、cd²⁺或hg²⁺。

進(jìn)一步地，上述功能碳材料重復(fù)使用次數(shù)為2～10次。

本發(fā)明的有益效果是：制備功能碳材料的原料屬于廢棄生物質(zhì)，通過該工藝可變廢為寶。溶劑熱反應(yīng)操作簡單、高效，功能碳材料產(chǎn)率可達(dá)80％。所制備功能碳材料不僅能夠強(qiáng)吸附重金屬離子，而且起到還原催化劑的作用，協(xié)同促進(jìn)重金屬離子的脫除，重金屬離子去除率可達(dá)98.5％，重復(fù)使用10次后重金屬離子去除率仍可達(dá)80％。本發(fā)明通過溶劑熱反應(yīng)，獲得具有還原性基團(tuán)的亞微功能碳材料，用于重金屬污水的處理，獲得明顯的去除效果。

附圖說明

附圖1是亞微功能碳材料的sem譜圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

實(shí)施例一

將核桃殼洗凈除雜，粉碎后的粉末尺寸小于0.22μm。然后將5g粉末置于水熱反應(yīng)釜中，同時加入30g[bmim]cl、30g氨基磺酸和1g十二烷基磺酸鈉，密封后加熱到120℃，反應(yīng)1h后，收集碳材料產(chǎn)物并洗滌至ph>5，干燥后獲得碳材料4.1g。

量取cr⁶⁺廢水，調(diào)節(jié)cr(vi)濃度為10mg/l，碳材料加入量為1g/l，調(diào)節(jié)ph至8，在15℃振蕩吸附1h，固、液分離并回收功能碳材料，測定吸附后溶液中的cr⁶⁺濃度，cr⁶⁺去除率為35％。

實(shí)施例二

將核桃殼洗凈除雜，粉碎后的粉末尺寸小于0.22μm。然后將4g粉末置于水熱反應(yīng)釜中，同時加入40g[bmim]cl、30g氨基磺酸和2g十二烷基磺酸鈉，密封后加熱到150℃，反應(yīng)5h后，收集碳材料產(chǎn)物并洗滌至ph>5，干燥后獲得碳材料3.9g。

量取cr⁶⁺廢水，調(diào)節(jié)cr⁶⁺濃度為100mg/l，碳材料加入量為5g/l，調(diào)節(jié)ph至2，在35℃振蕩吸附7h，固、液分離并回收功能碳材料，測定吸附后溶液中的cr⁶⁺濃度，cr⁶⁺去除率為95％。

實(shí)施例三

將蟹殼洗凈除雜，粉碎后的粉末尺寸小于0.22μm。然后將5g粉末置于水熱反應(yīng)釜中，同時加入100g二甲基亞砜、30g氨基磺酸和5g十二烷基磺酸鈉，密封后加熱到150℃，反應(yīng)5h后，收集碳材料產(chǎn)物并洗滌至ph>5，干燥后獲得碳材料3.5g。

量取cr⁶⁺廢水，調(diào)節(jié)cr⁶⁺濃度為100mg/l，碳材料加入量為5g/l，調(diào)節(jié)ph至2，在35℃振蕩吸附7h，固、液分離并回收功能碳材料，測定吸附后溶液中的cr⁶⁺濃度，cr⁶⁺去除率為98.5％。

實(shí)施例四

將殼聚糖1g粉末置于水熱反應(yīng)釜中，同時加入30gγ-戊內(nèi)酯、30g氨基磺酸和2g十二烷基磺酸鈉，密封后加熱到150℃，反應(yīng)5h后，收集碳材料產(chǎn)物并洗滌至ph>5，干燥后獲得碳材料0.81g。

量取cr⁶⁺廢水，調(diào)節(jié)cr⁶⁺濃度為100mg/l，碳材料加入量為5g/l，調(diào)節(jié)ph至2，在35℃振蕩吸附7h，固、液分離并回收功能碳材料，測定吸附后溶液中的cr⁶⁺濃度，cr⁶⁺去除率為98.3％。

實(shí)施例五

將甲殼素5g粉末置于水熱反應(yīng)釜中，同時加入50gγ-戊內(nèi)酯、30g氨基磺酸和1g十二烷基磺酸鈉，密封后加熱到150℃，反應(yīng)5h后，收集碳材料產(chǎn)物并洗滌至ph>5，干燥后獲得碳材料4.27g。

量取cr⁶⁺廢水，調(diào)節(jié)cr⁶⁺濃度為100mg/l，碳材料加入量為5g/l，調(diào)節(jié)ph至2，在35℃振蕩吸附7h，固、液分離并回收功能碳材料，測定吸附后溶液中的cr⁶⁺濃度，cr⁶⁺去除率為94.9％。

實(shí)施例六

將葡萄糖4g粉末置于水熱反應(yīng)釜中，同時加入40g[bmim]cl、30g氨基磺酸和1g十二烷基磺酸鈉，密封后加熱到150℃，反應(yīng)5h后，收集碳材料產(chǎn)物并洗滌至ph>5，干燥后獲得碳材料3.5g。

分別量取含有mncl2、pbcl2、cdcl2、hgcl2的廢水，調(diào)節(jié)金屬離子濃度為50mg/l，碳材料加入量為5g/l，調(diào)節(jié)ph至2，在25℃振蕩吸附7h，固、液分離并回收功能碳材料，測定吸附后溶液中的金屬離子濃度，mn²⁺去除率為98.2％，pb²⁺去除率為98.1％，cd²⁺去除率為98.5％，hg²⁺去除率為98.5％，98.3％。

實(shí)施例七

將葡萄糖4g粉末置于水熱反應(yīng)釜中，同時加入40g[bmim]cl、30g氨基磺酸和1g十二烷基磺酸鈉，密封后加熱到150℃，反應(yīng)5h后，收集碳材料產(chǎn)物并洗滌至ph>5，干燥后獲得碳材料3.5g。

量取cr⁶⁺廢水，調(diào)節(jié)cr⁶⁺濃度為100mg/l，碳材料加入量為5g/l，調(diào)節(jié)ph至2，在35℃振蕩吸附7h，固、液分離并回收功能碳材料。將回收功能碳材料重復(fù)用于上述cr⁶⁺廢水的處理，重復(fù)使用次數(shù)為10次。cr⁶⁺去除率依次為97.8％、95.4％、93.3％、91.9％、89.6％、85.3％、83.3％、81.9％、82.3％、79.9％。