一种氮化碳粘土生物炭两亲性气凝胶的制备方法及其在油水分离中的应用
本发明属于环境保护领域，具体涉及一种氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶的制备方法及其在油水分离中的应用。
背景技术：
1、当今社会，人类和动植物正遭遇含油废水引发的潜在健康和安全风险。活性炭具有极为发达的内部空隙结构和较高的比表面积，对各类油品和有机溶剂都具有高的吸附容量。但在处理大面积漏油时不具备回收能力，难以实现吸附-解析的可逆过程，容易造成二次污染。生物炭气凝胶既具备凝胶的比表面积高、低密度及易回收等优势，又具备活性炭的高吸附特性，在治理含油废水方面得到广泛的应用。但由于炭层之间具有强烈的分子间作用力，使片层在自组装过程中出现堆垛现象，造成炭凝胶的骨架坍塌，使其性能往往达不到理论值，这一问题使其在实际应用受到很大程度的限制。粘土矿物具有特殊的结构和形貌，具有分散性良好、比表面积高、力学性能好、储量丰富、成本低等特性，是一种优良的天然吸附剂。当粘土遇水后，其体积可膨胀至原体积的几倍大，且在水中高度分散。将高度溶胀和分散的粘土匀浆复合至炭凝胶中，高度分散的粘土进入炭层之间，可有效缓解炭层之间的堆垛效应，增强炭凝胶的骨架结构。中国专利文献cn 110540187公开了一种粘土/碳气凝胶材料的制备方法，该方法是将棉、麻、丝、毛等天然纤维素的废旧纺织品进行机械均质化处理，然后与粘土粒子进行溶胶-凝胶化、碳化处理，得到的具有吸附作用的气凝胶。该气凝胶材料虽然有效缓解炭层之间的堆垛效应，一定程度上增强了炭凝胶的骨架结构。但仍存在碳化条件要求为惰性气氛条件、制备条件苛刻等问题，使其实际应用在局限性。
2、鉴于此，本发明提出一种氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶的制备方法，该方法是以生物质纤维素为原料，粘土为增强剂，通过氮化碳气相沉积法在空气中营造少氧氛围，得到氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶。通过此接枝工艺将氮化碳通过化学键合作用牢固负载于粘土/生物炭，一方面增加了炭气凝胶的稳定性和比表面积；一方面氮化碳具有强亲水性，通过负载可增加氮化碳的分散性，提高复合材料的亲水性能。另外，该氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶即具备气凝胶独特的结构和炭材料优异的吸附性能，又具有稳定的骨架结构，分离回收方便，为开发新型生物炭质复合材料提供了新的思路，有利于天然生物质的高效利用。本发明氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶的制备方法通过气相沉积法在热空气中营造少氧氛围取代传统制备生物炭的惰性气氛条件，制备方法简单，且凝胶对浮油具有很好的吸附能力和可回收能力，可用于大面积漏油处理，具有实际应用价值。
技术实现思路
1、本发明的目的是：过气相沉积法在热空气中营造少氧氛围取代传统制备生物炭的惰性气氛条件，提供一种氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶的制备方法；通过化学键合作用将氮化碳牢固沉积于粘土/生物炭上，提增加炭气凝胶的稳定性和比表面积，提高其可回收性和吸附容量，将其用于油水混合物的快速分离；通过粘土和生物质纤维素的结合，为开发新型生物炭质复合材料提供新的思路，实现天然生物质的资源化利用。
2、本发明的思路是：将粘土引入纤维素和pva作为骨架结构和物理交联位点，通过氢键对粘土进行物理交联，并采用戊二醛作为化学交联剂进行化学交联制备粘土/纤维素复合气凝胶，通过气相沉积法营造少氧氛围取代传统的惰性条件制备得到氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶，并将其用于油水混合物的快速分离。
3、本发明的第一个方面，提供了：通过气相沉积法在热空气中营造少氧氛围取代传统制备生物炭的惰性气氛条件。
4、本发明的第二个方面，提供了：上述氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶的制备方法，具体有这样的特征，包括以下步骤：
5、第1步、粘土/纤维素干凝胶的制备：将生物质源纤维素匀浆、pva溶液和粘土匀浆混合搅拌1 h后，调节ph并加入戊二醛，将得到的混合液继续搅拌反应1 h后，经过超声消泡、加热固化、冷冻干燥得到粘土/纤维素干凝胶。
6、第2步、氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶的制备：将三聚氰胺加入小坩埚中，铝箔纸封口扎洞放进大坩埚中，将粘土/纤维素干凝胶放至铝箔纸表面，用铝箔纸封口，最后置于马弗炉中高温焙烧。
7、在一个实施方案中，所述的第1步中，生物质源纤维素的提取方法为：首先将生物质粉末置于酸性水溶液中加热搅拌，离心并水洗后得到预处理纤维素匀浆；然后将预处理纤维素匀浆置于naoh溶液中室温下搅拌，离心，蒸馏水常温条件下搅拌后离心得到生物质源纤维素匀浆。其中，生物质粉末：酸性水溶液=1：10~1：60；酸性水溶液的ph为1~3；加热温度为60~90oc；加热搅拌3~8 h；生物质粉末：naoh溶液/蒸馏水=1：20~1：100；室温搅拌3~8h。
8、在一个实施方案中，所述的第1步中，生物质源纤维素匀浆的质量百分比为2%~5%；pva溶液的浓度为0.03~0.1 g/ml；粘土匀浆的质量百分比为0~9.7 wt%；ph范围为4~6；戊二醛的质量百分比为20~50 wt%；超声时间为20~60 min；固化条件为60~90oc，2~6 h；冷冻干燥时间为14~42 h。
9、在一个实施方案中，所述的第2步中，粘土/纤维素干凝胶：三聚氰胺=1：2~1：8；升温速率为1~10oc，保温时间为2~6 h，焙烧温度为500~550oc。
10、在一个实施方案中，所述的第1步中所述的生物质包括甜菜粕、棉杆、花生壳、玉米芯、柚子皮、核桃壳等。
11、在一个实施方案中，所述的第2步中的粘土包括蒙脱土、膨润土和高岭土等。
12、在一个实施方案中，所述氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶的制备方法中所有比例均为质量比。
13、本发明的第三个方面，提供了：
14、上述氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶在油水分离中的应用。
15、本发明具有如下优点： (1) 制备的氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶原料为废弃生物质材料，可实现对生物质废料的提质利用。(2) 通过气相沉积法在热空气中营造少氧氛围取代传统制备生物炭的惰性气氛条件，制备方法简单，具有实际应用价值。(3) 所制备的氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶中存在化学键合作用，氮化碳分散性好，负载牢固，提高生物炭凝胶的稳定性。(4) 利用氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶对油品的吸附性能，对污水处理和生态环境修复具有参考依据。
技术特征：
1.一种氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶的制备方法，其特征在于，所发明的凝胶是以粘土/生物质源纤维素气凝胶为载体，通过气相沉积法在载体上均匀、牢固的负载氮化碳，在热空气中营造少氧氛围制备生物炭复合凝胶。
2.根据权利要求1所述的氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶的制备方法，具体方法按照以下步骤实施：
3.第2步、氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶的制备：将三聚氰胺加入小坩埚中，铝箔纸封口扎洞放进大坩埚中，将步骤1中所得粘土/纤维素干凝胶放至铝箔纸表面，用铝箔纸封口，置于马弗炉中高温焙烧。
4.根据权利要求2所述的氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶的制备方法，其特征在于，所述的第1步中，生物质源纤维素的提取步骤：将生物质粉末置于酸性水溶液中加热搅拌，离心并水洗后得到预处理纤维素匀浆；将预处理纤维素匀浆置于naoh溶液中室温下搅拌，离心，蒸馏水常温条件下搅拌后离心得到生物质源纤维素匀浆。
5.其中，生物质粉末：酸性水溶液=1：10~1：60；酸性水溶液的ph为1~3；加热温度为60~90oc；加热搅拌3~8 h；生物质粉末：naoh溶液/蒸馏水=1：20~1：100；室温搅拌3~8 h。
6.根据权利要求2所述的氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶的制备方法，其特征在于，所述的第1步中，生物质源纤维素匀浆的质量百分比为2%~5%；pva溶液的浓度为0.03~0.1g/ml；粘土匀浆的质量百分比为0~9.7 wt%；ph范围为4~6；戊二醛的质量百分比为20~50wt%；超声时间为20~60 min；固化条件为60~90oc，2~6 h；冷冻干燥时间为14~42 h。
7.所述的第2步中，粘土/纤维素干凝胶：三聚氰胺=1：2~1：8；升温速率为1~10oc，保温时间为2~6 h，焙烧温度为500~550oc。
8.根根据权利要求2所述的氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶的制备方法，其特征在于，氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶的制备方法中所有比例均为质量比。
9.根根据权利要求2所述的氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶的制备方法，其特征在于，所述的第1步中所述的生物质包括甜菜粕、棉杆、花生壳、玉米芯、柚子皮、核桃壳等；所述的第2步中的粘土包括蒙脱土、膨润土和高岭土等。
10.氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶在油水分离中的应用。
技术总结
本发明属于生物炭气凝胶制备技术领域，提供了一种氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶的制备方法。该方法是以生物质纤维素为原料，粘土为增强剂，在马弗炉中通过气相沉积法在热空气中营造少氧氛围，得到氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶。本发明通过气相沉积法在热空气中营造少氧氛围取代传统制备生物炭的惰性气氛条件。本发明中氮化碳通过通过化学键合作用和分子间协同作用实现牢固沉积，且均匀分散性，增加了炭气凝胶的稳定性和比表面积，提高了其可回收性和吸附容量。该氮化碳/粘土/生物炭两亲性气凝胶具有超亲水性和超亲油性，对浮油具有很好的吸附能力和可回收能力，可用于大面积漏油处理，具有实际应用价值。
技术研发人员：杨超,赵莉倩,李伟,赵新秀,关卿清,赵雪颖,武荣兰,王璐,张翼,牛鸣光
受保护的技术使用者：新疆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5