本發(fā)明屬于材料制備和污染物處理領(lǐng)域，涉及一種疏水低密度柚子皮碳?xì)饽z的制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著各行業(yè)的快速發(fā)展，引發(fā)的油污染問(wèn)題也日益嚴(yán)重。油污染主要源于在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中油輪破損后發(fā)生的油泄漏，以及城市工業(yè)含油廢水的排放等。大量的油泄露到水體中，會(huì)帶來(lái)巨額的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)造成大面積的水體污染以及影響沿岸居民的生產(chǎn)生活，威脅生命健康。為了解決存在的油污染問(wèn)題，常規(guī)的油污染處理方法可分為：吸附法、絮凝法、生化法和氣浮法等。其中，吸附法是利用材料特殊的性質(zhì)選擇性地吸附分離油污的方法，由于其具有環(huán)保安全，操作簡(jiǎn)單和適用范圍廣等特點(diǎn)，被廣泛用于處理油污染問(wèn)題。目前，高效且廉價(jià)的吸附材料的研究仍是當(dāng)下工作的重點(diǎn)。

碳?xì)饽z材料擁有低的密度、高的孔隙率、大的比表面積和表面疏水性能等特性，如石墨烯氣凝膠、碳納米管氣凝膠、碳纖維氣凝膠等，在油污染處理領(lǐng)域顯示出了高的吸附容量。然而，這些碳?xì)饽z存在制備原料昂貴，制備過(guò)程復(fù)雜繁瑣，而且不能大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的弊端。因此，需要尋找一種原材料廉價(jià)而且制備工藝簡(jiǎn)單，能大規(guī)模生產(chǎn)的新型碳?xì)饽z。目前，由于廢棄的生物質(zhì)材料具有廉價(jià)和可再生等特性，以其作為原材料制備碳基材料引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。

本專利以新鮮的柚子皮為原料，結(jié)合水熱碳化、冷凍干燥和高溫?zé)峤獾确椒ㄖ苽淞艘环N新型疏水低密度的生物質(zhì)碳?xì)饽z材料，并將其用于吸附水體中油與有機(jī)溶劑污染物。不僅解決了廢棄生物質(zhì)可能帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，還減低了碳?xì)饽z的生產(chǎn)成本，對(duì)油污染問(wèn)題的處理和環(huán)境保護(hù)具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是以新鮮的柚子皮為原料，利用水熱碳化法、冷凍干燥和高溫?zé)峤獾仁侄沃苽淞耸杷兔芏鹊纳镔|(zhì)碳?xì)饽z，并應(yīng)用于油與有機(jī)溶劑的吸附實(shí)驗(yàn)研究。該吸附劑與其它吸附材料相比具有原料來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉和可再生，以及制備過(guò)程簡(jiǎn)單，重復(fù)利用性好等優(yōu)點(diǎn)，在油污處理領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種疏水低密度柚子皮碳?xì)饽z的制備方法，包括如下步驟：

步驟1、去掉柚子的果肉和外表皮，得到白色蓬松的新鮮柚子皮，并切成大小適宜的塊狀；將塊狀柚子皮移入高壓反應(yīng)釜中，在烘箱中高溫水熱反應(yīng)一段時(shí)間，得到黑色的柚子皮水凝膠；

步驟2、將步驟1得到的柚子皮水凝膠移入一個(gè)盛有去離子水的大燒杯中，在適宜的水浴溫度下，攪拌洗滌一段時(shí)間，并重復(fù)洗滌多次，用以除去柚子皮水凝膠其中殘存的雜質(zhì)；

步驟3、將步驟2得到的材料冷凍干燥后得到棕色的柚子皮氣凝膠；

步驟4、將步驟3得到的材料置于管式爐中，程序升溫至加熱溫度，在高溫氮?dú)鈼l件下加熱碳化一段時(shí)間，得到疏水低密度柚子皮碳?xì)饽z。

步驟1中，水熱反應(yīng)碳化的溫度為150～200℃，時(shí)間為8～24h。

步驟2中，洗滌時(shí)水浴溫度為20～60℃，攪拌方式為磁力攪拌，攪拌的速度為100～1000rpm，洗滌時(shí)間為4～24h，并重復(fù)3～12次。

步驟4中，管式爐中氮?dú)饬魉贋?0ml/min，所述程序升溫的速率為3℃/min；所述加熱的溫度為800～1100℃，加熱的時(shí)間為30～180min。

將上述得到的疏水低密度柚子皮碳?xì)饽z用于吸附油或者有機(jī)溶劑污染物，具體步驟如下：

定量吸附實(shí)驗(yàn)：

取小塊的碳?xì)饽z材料，稱重并記錄其質(zhì)量，將其浸入油或者有機(jī)溶液中，一段時(shí)間后，再將其取出并稱重，并通過(guò)計(jì)算得到碳?xì)饽z對(duì)油與有機(jī)溶劑的吸附容量。

本發(fā)明所述的有機(jī)溶劑污染物不僅僅只包括：正己烷、丙酮、四氯化碳、乙酸乙酯或者氯仿。

本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

(1)選用了廉價(jià)和可再生的柚子皮作為原材料制備疏水低密度碳?xì)饽z，不僅緩解了柚子皮可能帶來(lái)的環(huán)境污染，還有效降低了碳?xì)饽z的制備成本。

(2)利用水熱碳化方法，不僅可以有效保留材料的空間結(jié)構(gòu)還具有高的產(chǎn)率，以及操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

(3)該碳?xì)饽z具有低密度、高孔隙率和優(yōu)異的疏水性等特性，在吸附油與有機(jī)溶劑方面表現(xiàn)出高的吸附容量，快的吸附速率以及良好的可重復(fù)利用性能。

本發(fā)明還可以利用冬瓜、西瓜、絲瓜等。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明反應(yīng)過(guò)程實(shí)物照片(a)及原理示意圖(b)；

圖2為柚子皮氣凝膠和柚子皮碳?xì)饽z的紅外譜圖；a為柚子皮氣凝膠；b為柚子皮碳?xì)饽z；

圖3為柚子皮碳?xì)饽z的sem圖；

圖4為柚子疏水性和低密度照片，a為柚子皮碳?xì)饽z的水接觸表征；b為水滴在柚子皮氣凝膠表面呈球狀且能穩(wěn)定存在的照片；c為柚子皮碳?xì)饽z在植物上的照片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖及具體實(shí)施實(shí)例來(lái)對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1：

1，疏水低密度柚子皮碳?xì)饽z的制備

(1)取去掉外表皮和果肉的柚子皮，切成大小適宜的塊狀，移入高壓反應(yīng)釜中，在180℃下反應(yīng)24h，得到柚子皮水凝膠。

(2)將柚子皮水凝膠移入盛有去離子水的大燒杯中，并在40℃恒溫水浴鍋中磁力攪拌12h，攪拌速度為200rpm，重復(fù)3次。

(3)將除雜后的柚子皮水凝膠冷凍干燥后得到柚子皮氣凝膠。將得到的柚子皮氣凝膠置于900℃的管式爐中，氮?dú)鈼l件下煅燒60min，氮?dú)饬魉贋?0mlmin^-1，升溫速度為3℃min^-1，冷卻至室溫后得到疏水低密度的柚子皮碳?xì)饽z。

2，定量吸附實(shí)驗(yàn)

取小塊的碳?xì)饽z材料，稱重并記錄其質(zhì)量，將其浸入四氯化碳溶液中，一段時(shí)間后，將其取出并稱重，定量吸附結(jié)果表明：疏水低密度柚子皮碳?xì)饽z能夠吸附它自身質(zhì)量48倍的四氯化碳溶液。

實(shí)施例2：

1，疏水低密度柚子皮碳?xì)饽z的制備

(1)取去掉外表皮和果肉的柚子皮，切成大小適宜的塊狀，移入高壓反應(yīng)釜中，在200℃下反應(yīng)12h，得到柚子皮水凝膠。

(2)將柚子皮水凝膠移入盛有去離子水的大燒杯中，并在60℃恒溫水浴鍋中磁力攪拌8h，攪拌速度為100rpm，重復(fù)6次。

(3)將除雜后的柚子皮水凝膠冷凍干燥后得到柚子皮氣凝膠。將得到的柚子皮氣凝膠置于800℃的管式爐中，氮?dú)鈼l件下煅燒120min，氮?dú)饬魉贋?0mlmin^-1，升溫速度為3℃min^-1，冷卻至室溫后得到疏水低密度的柚子皮碳?xì)饽z。

2，定量吸附實(shí)驗(yàn)

取小塊的碳?xì)饽z材料，稱重并記錄其質(zhì)量，將其浸入正己烷溶液中，一段時(shí)間后，將其取出并稱重，定量吸附結(jié)果表明：疏水低密度柚子皮碳?xì)饽z能夠吸附它自身質(zhì)量22.7倍的正己烷溶液。

實(shí)施例3：

1，疏水低密度柚子皮碳?xì)饽z的制備

(1)取去掉外表皮和果肉的柚子皮，切成大小適宜的塊狀，移入高壓反應(yīng)釜中，在150℃下反應(yīng)24h，得到柚子皮水凝膠。

(2)將柚子皮水凝膠移入盛有去離子水的大燒杯中，并在20℃恒溫水浴鍋中磁力攪拌6h，攪拌速度為1000rpm，重復(fù)12次。

(3)將除雜后的柚子皮水凝膠冷凍干燥后得到柚子皮氣凝膠。將得到的柚子皮氣凝膠置于950℃的管式爐中，氮?dú)鈼l件下煅燒30min，氮?dú)饬魉贋?0mlmin^-1，升溫速度為3℃min^-1，冷卻至室溫后得到疏水低密度的柚子皮碳?xì)饽z。

2，定量吸附實(shí)驗(yàn)

取小塊的碳?xì)饽z材料，稱重并記錄其質(zhì)量，將其浸入泵油中，一段時(shí)間后，將其取出并稱重，定量吸附結(jié)果表明：疏水低密度柚子皮碳?xì)饽z能夠吸附它自身質(zhì)量44.3倍的泵油。

實(shí)施例4：

1，疏水低密度柚子皮碳?xì)饽z的制備

(1)取去掉外表皮和果肉的柚子皮，切成大小適宜的塊狀，移入高壓反應(yīng)釜中，在180℃下反應(yīng)12h，得到柚子皮水凝膠。

(2)將柚子皮水凝膠移入盛有去離子水的大燒杯中，并在60℃恒溫水浴鍋中磁力攪拌4h，攪拌速度為400rpm，重復(fù)8次。

(3)將除雜后的柚子皮水凝膠冷凍干燥后得到柚子皮氣凝膠。將得到的柚子皮氣凝膠置于1050℃的管式爐中，氮?dú)鈼l件下煅燒60min，氮?dú)饬魉贋?0mlmin^-1，升溫速度為3℃min^-1，冷卻至室溫后得到疏水低密度的柚子皮碳?xì)饽z。

2，定量吸附實(shí)驗(yàn)

取小塊的碳?xì)饽z材料，稱重并記錄其質(zhì)量，將其浸入丙酮溶液中，一段時(shí)間后，將其取出并稱重，定量吸附結(jié)果表明：疏水低密度柚子皮碳?xì)饽z能夠吸附它自身質(zhì)量34.6倍的丙酮溶液。

從圖2中可以看出，柚子皮氣凝膠表面含有很多的含氧官能團(tuán)，如：c＝o，c-o，c-h和-o-h等，在經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤夂?，柚子皮碳?xì)饽z表面吸收峰變得很弱，甚至消失，說(shuō)明其親水的含氧官能團(tuán)被移除，柚子皮碳?xì)饽z顯示出良好的疏水性。

圖3表明柚子皮碳?xì)饽z為3d多孔結(jié)構(gòu)，其孔徑尺寸約有幾百微米，表明材料擁有巨大的孔隙。

圖4中a為柚子皮碳?xì)饽z的水接觸表征，其大小為121^o，b為水滴在柚子皮氣凝膠表面呈球狀且能穩(wěn)定存在，a與b顯示出了良好的疏水表面；c為柚子皮碳?xì)饽z在植物上的照片，圖4中c中植物沒(méi)有發(fā)生明顯的形變，說(shuō)明材料密度小。