本發(fā)明涉及一種超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料的制備方法及其用途，屬環(huán)境功能材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，海上溢油、化工廠有機(jī)污染物的排放等事件頻頻發(fā)生，對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重甚至不可挽回的損害。油水分離已成為一個全球性的挑戰(zhàn)，如何處理油水混合物并將其有效分離已成為目前亟待解決的問題。

目前常用油水分離方法主要有：物理法(重力分離、離心分離、膜分離)；物理化學(xué)法(吸附分離、電解)；化學(xué)法(鹽析法、化學(xué)氧化)；生物化學(xué)法(微生物分解)。將常用油水分離方法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)對于一般的非溶解性的油水分離，吸附法的優(yōu)點(diǎn)更為明顯。吸附法處理溢油的基本原理是利用親油材料的多孔性和大的比表面積，將水體中的浮油、分散油及其他有機(jī)污染物吸附在表面，從而達(dá)到油水分離的目的。吸附劑可分為炭質(zhì)吸附劑(泥炭吸附劑等)、無機(jī)吸附劑(活化礬土、泥灰?guī)r、褐煤等)和有機(jī)吸附劑(聚烯類等)。其中碳吸附劑備受青睞，這是由于其來源豐富，可通過簡單修飾改變材質(zhì)的親疏水性能。三維塊體碳材料作為碳吸附劑的一種，具有化學(xué)穩(wěn)定性、低密度以及多孔性等優(yōu)異的性能，可作為水中有機(jī)油污的吸附材料。

柚子因?yàn)槠錉I養(yǎng)豐富、容易保持等優(yōu)點(diǎn)，成為我國最受歡迎的水果之一，主要在南方地區(qū)種植。然而柚子皮占到整個柚子的25％～45％。雖然已有關(guān)于柚子皮的美食制作的超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料關(guān)報(bào)道，但是很少有人真正把柚子皮重新利用，因此依舊造成資源極大浪費(fèi)。由于柚子皮內(nèi)部的白色絮狀物中含有大量的纖維素，在其干燥后，可以支撐其塊體結(jié)構(gòu)。因此柚子皮完全可以作為一種新型的生物質(zhì)用于環(huán)境的治理，如吸附水中的有機(jī)油污。

本發(fā)明充分利用資源，將水果殘余物柚子皮作為碳前軀體，采用碳化/磁化和表面低能物質(zhì)修飾，制備超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料，對水中的有機(jī)油污具有優(yōu)異的選擇性吸附，是一種具有良好前景的生物質(zhì)吸附劑材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料的制備方法，首先是柚子皮預(yù)處理：將塊狀濕柚子皮浸沒于鐵鹽溶液后，進(jìn)行干燥處理；然后，磁性柚子皮碳的制備：將干燥后的柚子皮置于管式爐內(nèi)，在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行高溫碳化，得到塊體磁性柚子皮碳；最后，表面低能物質(zhì)修飾：將浸過聚二甲基硅氧烷(pdms)溶液的塊體磁性柚子皮碳在烘箱中烘干，即可得到超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料。并通過多種表征手段，揭示該材料的形貌，利用油污吸附實(shí)驗(yàn)研究所得柚子皮碳材料對水環(huán)境中有機(jī)油污的去除性能。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料的制備方法，步驟如下：

步驟1、柚子皮預(yù)處理：將塊狀濕柚子皮在鐵鹽溶液中浸漬后，進(jìn)行干燥處理；

步驟2、磁性柚子皮碳的制備：將步驟1中干燥處理后的柚子皮置于管式爐內(nèi)，在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行高溫碳化，得到塊狀磁性柚子皮碳；

步驟3、表面低能物質(zhì)修飾：將步驟2中的塊狀磁性柚子皮碳浸過pdms溶液后，在烘箱中烘干，即可得到超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料。

步驟1中，所使用的鐵鹽為fe(no3)3·9h2o或fecl3，溶劑為乙醇，濃度為0～0.2moll^-1。

步驟1中，所述的干燥處理為，真空冷凍干燥或烘箱干燥或微波干燥。

步驟2中，所使用的惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤狻?/p>

步驟2中，所述碳化的溫度為400～900℃，升溫速率為3～10℃min^-1，并保持恒溫2h。

步驟3中，所使用的pdms溶液為pdms與固化劑的烷烴混合溶液，所使用的pdms的質(zhì)量是溶劑的質(zhì)量的0.1～2％，pdms與固化劑的質(zhì)量比為5～20：1，所述固化劑為二甲基乙烯基化的二氧化硅或三甲基乙烯基化的二氧化硅的其中一種或兩種。

步驟3中，所使用的溶劑為戊烷，己烷，環(huán)己烷中的至少一種。

步驟3中，烘干溫度為150～250℃，并維持恒溫8～12h。

所制備的超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料用于水環(huán)境中有機(jī)油污的選擇性去除。

有益效果：

(1)本發(fā)明所用前驅(qū)體材料為天然生物質(zhì)材料柚子皮，來源豐富、價(jià)格低廉、廢物利用。

(2)制得的超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料具有超輕、高磁性、高吸附量、快速吸附，性能穩(wěn)定、再生重復(fù)利用性好等性能。

(3)鑒于該超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料的高吸附量，可在水中有機(jī)污染物治理領(lǐng)域廣泛使用。

(4)本發(fā)明的制備方法簡單易行、流程較短、操作易控、成本低廉，適合推廣使用。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1中制備的超輕塊狀柚子皮碳材料的掃描電鏡圖；

圖2為實(shí)施例1中的超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料的掃描電鏡圖，內(nèi)插圖為高倍下的掃描電鏡圖；

圖3為實(shí)施例1中超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料的靜態(tài)水滴接觸角圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

實(shí)施例1：

首先是柚子皮預(yù)處理：將塊狀濕柚子皮浸沒于濃度為0.1moll^-1fe(no3)3·9h2o或者fecl3的乙醇溶液后，進(jìn)行真空冷凍干燥或烘箱干燥或微波干燥處理；然后，磁性柚子皮碳的制備：將干燥后的柚子皮置于管式爐內(nèi)，在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)下進(jìn)行800℃高溫碳化，升溫速率為5℃min^-1，并保持恒溫2h，得到塊體磁性柚子皮碳；最后，表面低能物質(zhì)修飾：配制pdms質(zhì)量與溶劑的質(zhì)量的0.5％、pdms與固化劑的質(zhì)量比為10：1的pdms溶液，將浸過聚二甲基硅氧烷(pdms)溶液的塊體磁性柚子皮碳在200℃烘干固化10h，即可得到超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料。

圖1中清洗地可以看出，未添加鐵鹽的的塊體柚子皮碳表面比較光滑，并且有大孔的存在，有利于保存吸附的油污。

圖2中明顯的可以看出，超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料表面具有大量的表面低能物質(zhì)，即固化的pdms，并且顯示微納米粗糙結(jié)構(gòu)，表明表明低能物質(zhì)的修飾比較成功。

圖3為超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料的靜態(tài)水滴接觸角圖，改接觸角為154°說明該材料以達(dá)到超疏水的性能，說明超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料制備成功制備。

實(shí)施例2：

首先是柚子皮預(yù)處理：將塊狀的濕柚子皮完全浸沒于濃度為0moll^-1fe(no3)3·9h2o或者fecl3的乙醇溶液后，進(jìn)行真空冷凍干燥或烘箱干燥或微波干燥處理；然后，磁性柚子皮碳的制備：將干燥后的柚子皮置于管式爐內(nèi)，在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)下進(jìn)行400℃高溫碳化，升溫速率為3℃min^-1，并保持恒溫2h，得到塊體磁性柚子皮碳；最后，表面低能物質(zhì)修飾：配制pdms質(zhì)量與溶劑的質(zhì)量的0.1％，pdms與固化劑的質(zhì)量比為5：1的pdms溶液，將浸過聚二甲基硅氧烷(pdms)溶液的塊體磁性柚子皮碳在100℃烘干固化12h，即可得到超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料。

實(shí)施例3：

首先是柚子皮預(yù)處理：將塊狀濕柚子皮浸沒于濃度為0.2moll^-1fe(no3)3·9h2o或者fecl3的乙醇溶液后，進(jìn)行真空冷凍干燥或烘箱干燥或微波干燥處理；然后，磁性柚子皮碳的制備：將干燥后的柚子皮置于管式爐內(nèi)，在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)下進(jìn)行900℃高溫碳化，升溫速率為10℃min^-1，并保持恒溫2h，得到塊體磁性柚子皮碳；最后，表面低能物質(zhì)修飾：配制pdms質(zhì)量與溶劑的質(zhì)量的2％，pdms與固化劑的質(zhì)量比為20：1的pdms溶液，將浸過聚二甲基硅氧烷(pdms)溶液的塊體磁性柚子皮碳在50℃烘干固化8h，即可得到超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料。

2、下面結(jié)合具體實(shí)施實(shí)例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

本發(fā)明中具體實(shí)施方案中選擇性吸附水環(huán)境中有機(jī)油污性能評價(jià)按照下述方法進(jìn)行：在去離子水中添加一定量的油，如輕油(環(huán)己烷、機(jī)油等)、重油(四氯化碳、二氯乙烷等)，用一定質(zhì)量的超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料進(jìn)行油污吸附實(shí)驗(yàn)。其吸油量q計(jì)算如下：

其中m(g)和mo(g)分別是超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料吸附飽和總質(zhì)量和初始質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)例1：首先，去20ml的去離子水于燒杯中，并向其中添加取20ml的環(huán)己烷，將0.1g的超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料置于裝有油水混合物中，待吸附飽和后，取出并稱重，通過計(jì)算即可得到吸油量。結(jié)果表明：超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料對水環(huán)境中的輕油具有良好的吸附性能。

實(shí)驗(yàn)例2：首先，去20ml的去離子水于燒杯中，并向其中添加取20ml的四氯化碳，將0.1g的超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料置于裝有油水混合物中，吸附過程中需要使用鑷子將碳材料與二氯乙烷相接觸，便于吸附，待吸附飽和后，取出，并稱其質(zhì)量，通過計(jì)算即可得到吸油量。結(jié)果表明：超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料對水環(huán)境中的重油具有良好的吸附性能。

實(shí)驗(yàn)例3：首先，首先，去20ml的去離子水于燒杯中，并向其中添加取20ml的環(huán)己烷，將0.1g的超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料置于裝有油水混合物中，待吸附飽和后，取出并稱重，通過計(jì)算即可得到吸油量。結(jié)果表明：超輕塊狀超疏水磁性柚子皮碳材料對水環(huán)境中的輕油具有良好的吸附性能。通過蒸餾法，將碳材料吸附的環(huán)己烷蒸發(fā)并收集，稱重。重復(fù)以上過程8次，并表現(xiàn)出優(yōu)異的重復(fù)利用性能。