申请日2014.03.26
公开(公告)日2014.06.25
IPC分类号B01J20/20; C02F1/28; B01J20/30
摘要
本发明公开了一种利用豆渣制备多孔炭材料的方法，是将湿豆渣用蒸馏水洗涤后，在醇溶液中浸泡3～48h，过滤，干燥，得到干豆渣;再将干豆渣在活化剂溶液中浸渍5～30h，过滤后于300～800℃下炭化0.5～5h;冷却至室温，先用盐酸溶液洗涤，再用蒸馏水洗至中性，烘干，得到具有巨大的比表面积的、呈多孔状的无定形炭材料。实验表明，该多孔炭材料对废水中的有机阳离子染料具有吸附能力强、吸附容量大、脱色率高等特点，可用于吸附脱除废水中的亚甲基蓝等有机染料。
权利要求书
1.利用豆渣制备多孔炭材料的方法，是将湿豆渣用蒸馏水洗涤后，在醇溶液中浸泡3～48 h，过滤，干燥，得到干豆渣;再将干豆渣在活化剂溶液中浸渍5～30 h，过滤后于300～800℃下炭化0.5～5 h;冷却至室温，先用盐酸溶液洗涤，再用蒸馏水洗至中性，烘干，得到多孔炭吸附材料。
2.如权利要求1所述利用豆渣制备多孔炭材料的方法，其特征在于：所述湿豆渣为生产豆制品过程中产生的不溶性残渣。
3.如权利要求1所述利用豆渣制备多孔炭材料的方法，其特征在于：所述活化剂为质量10～80%的K2CO3或H3PO4溶液。
4.如权利要求1所述利用豆渣制备多孔炭材料的方法，其特征在于：所述醇溶液为乙醇溶液或甲醇溶液。
5.如权利要求1所述方法制备的多孔炭材料作为吸附剂在废水处理中的应用。
说明书
利用豆渣制备多孔炭材料的方法及作为吸附剂在废水处理中的应用
技术领域
本发明属于高分子技术领域，涉及一种天然高分子基多孔炭材料的制备方法，尤其涉及一种利用豆渣制备多孔炭材料的方法;本发明同时该多孔炭材料作为吸附剂在废水处理中的应用。
背景技术
多孔炭材料是指具有不同孔隙结构的炭基材料，其孔径可在与吸附分子尺寸相当的纳米级超细微孔至适于微生物增殖及活动的微米级细孔较宽的范围内变化。多孔炭材料具有发达的孔结构和高的比表面积，良好的耐酸碱性能，在水净化、分离、催化剂载体、双电层电容器、传感器和气体储存等领域得到了广泛的应用。
多孔炭材料的制备方法多种多样，其中活化法是制备多孔炭材料的传统方法，包括(a)化学活化、物理活化或物理化学活化联用;(b)炭前驱体的催化活化可炭化和热解的高分子聚合物混合炭化;(c)高分子气凝胶的炭化;(d)生物质的炭化活化。利用这些传统的炭化活化方法制得的大多是无序多孔炭材料。另外，传统活化法制备多孔炭材料的原料种类繁多，只要能得到炭都可用作合成多孔炭的原料。因此，主要有生物质材料、合成高分子材料、废弃高分子材料、焦油与煤炭材料等四类。
豆渣是在生产豆乳、豆浆和豆腐等豆制品生产过程中产生的不溶性残渣。豆渣作为豆制品制作工艺中产生的废物，产量很大。豆渣是一种无毒、生物相容、可食的天然高分子，豆渣作为大豆制品生产中的副产物，产量很大，但由于其易腐烂性和存储运输中的不便性，使得大多数的豆渣都被废弃掉，没有实现其利用价值，经济效益低，并对环境造成污染。豆渣的主要成分有纤维素、蛋白质、脂类、矿物质和维生素等。因此，可以其为原料，通过化学活化、炭化后制备成炭材料，不仅能实现资源的回收利用，减少对环境的污染，更重要的是能提高其经济利用价值。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的一些问题，提供一种利用豆渣制备多孔炭材料的方法。
本发明的另一目的是提供上述利用豆渣为原料制备的多孔炭材料作为吸附剂在废水处理中的应用。
(一)多孔炭材料的制备
利用豆渣制备多孔炭材料的方法，是将湿豆渣用蒸馏水洗涤后，在乙醇溶液或甲醇溶液中浸泡3～48 h，过滤，干燥，得到干豆渣;再将干豆渣在活化剂溶液中浸渍5～30 h，过滤;然后于300～800℃下炭化0.5～5 h;冷却至室温，先用盐酸溶液洗涤，再用蒸馏水洗至中性，烘干，得到多孔炭吸附材料。
所述湿豆渣为生产豆制品过程中产生的不溶性残渣;所述活化剂采用质量10～80%的K2CO3或H3PO4溶液。
(二)多孔炭材料的结构与性质
通过FT-IR、氮气吸附脱附等温线与SEM对豆渣基多孔炭材料的结构、性质进行了表征与分析。
1、FT-IR分析
图1为本发明豆渣基多孔炭材料的红外光谱图，其中曲线1为干豆渣，曲线2为多孔炭材料。由图可知，干豆渣主要吸收峰3422 cm-1是醇、酚-OH的伸缩振动吸收峰;2925和2855 cm-1是-CH的伸缩振动峰;1061和794 cm-1 分别是纤维素环的C-O-C和C-H振动吸收峰;1744与1647 cm-1是羰基的特征吸收峰，1417 cm-1是羧基中C-O的伸缩振动峰。豆渣主要由纤维素，木质素等组成，纤维素中主要有含氧官能团，存在于如羟基，醚和碳基中。多孔炭材料中，3433 cm-1是-OH的伸缩振动吸收峰;1594 cm-1属于C-O的伸缩振动;1253 cm-1属于C-O-C振动吸收峰。对比曲线1、2可以看出，豆渣中的大部分有机官能团在炭化后都失去了。多孔炭材料表面均可能含有羟基，羧基，内酯基等含氧官能团。
2、孔结构分析(氮气吸附脱附等温线)
图2为本发明制备的多孔炭材料的氮气吸附脱附图。由图2可以看出，氮气吸脱附等温线呈I型吸附等温线，属于典型的微孔固体的单分子层吸附。比表面积可以通过BET(Brunauer–Emmett–Teller)公式计算出，得到的多孔炭材料比表面积能达到1455.406 m2/g，通过图中的孔径分布可以看出，微孔孔径分布在1.17~1.85 nm之间，且在2.21~2.64 nm间含有一部分的介孔，其平均孔径为1.41 nm。表明制备的多孔炭材料有很高的比表面积和丰富的微孔结构，使其对亚甲基蓝等染料分子具有很好的吸附性能。
3、SEM分析
图3为本发明之制备的多孔炭材料的扫描电镜。从图3中可看出，经活化剂活化炭化后的多孔炭材料呈多孔蜂窝状。豆渣在活化剂中浸渍时，与活化剂发生一系列复杂的反应，使豆渣中的炭形成多孔的微晶结构，经过高温强烈灼烧，得到具有巨大的比表面积的、呈多孔状的无定形炭材料，而巨大的比表面积多孔的存在更有利于对亚甲基蓝的吸附。
(三)多孔炭材料吸附剂的吸附性能
对含亚甲基蓝模拟废水的吸附试验：取含亚甲基蓝浓度为300 mg/L的模拟废水50 mL，pH=6~7。向模拟废水中加入本发明制备多孔炭材料吸附剂，吸附剂的加入起始量为0.05 g/L，恒温振荡废水和豆渣基多孔炭材料吸附剂的混合液30 min，静置，抽滤，测定残余亚甲基蓝的浓度，计算脱色率。
测试结果：吸附剂用量为0.05 g/L，室温(25℃)振荡吸附30 min后，吸附效果最佳，脱色率为97.7%，吸附容量达到295.8 mg/g，达到国家一级排放标准。
综上所述，本发明利用豆渣制备的多孔炭材料对废水中的亚甲基蓝具有很好的吸附性能，因此，可用于处理含亚甲基蓝的有机阳离子染料废水。