[发明专利]一种高吸附性能碳气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种用于吸附有机溶剂的纤维素基碳气凝胶及其制备方法。本发明通过机械作用的方法制备了天然纤维素与改性纤维素的复合纳米纤维素水悬浮液，然后经过冷冻干燥得到了纤维素复合气凝胶，最后将这种复合气凝胶碳化制备碳气凝胶。所述碳气凝胶密度约为0.012g/cm³，对有机溶剂的吸附可达到自身质量的60倍以上。

技术领域

本发明涉及天然高分子材料的技术领域。更具体地，涉及一种纤维素基碳气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

随着我国经济的迅猛发展，工业产生的废弃物日趋增多，尤其废弃的有机溶剂是不可忽视的一部分。废有机溶剂是指有机溶剂生产、配制、使用过程中产生的废物。其特点是分子量不大，在常温常压下呈液态，具有较大的挥发性和脂溶性，它们产生量大、种类多、分布广、涉及行业多又因其含有多种卤代烃、多环芳烃等而被列入国家危险废物名录中。废有机溶剂可以对大气、土壤及水环境造成严重污染，并且在产生、贮存、运输、处置等环节均存在环境风险和污染危害。而且实验室中的毒性有机溶剂挥发、排到大气中、水中，不仅伤害实验人员，影响健康，还污染环境，所以对于废弃有机溶剂的处理急需我们的关注与解决。

作为可再生的天然资源，对纤维素的利用一直是纤维素的研究热点。天然纤维素分子有较高的结晶度，分子间和分子内存在大量的氢键，这使得它不溶解于普通溶剂，即加工性能较差。而经改性后的纤维素与之前相比，结晶度和聚合度明显降低，可及度明显提高，无论物理性质还是化学性质都表现出更大的优越性。而近年来有大批研究学者在纤维素气凝胶研究方面取得了一系列成果，如公开号为CN105148868A的中国发明专利将纤维素表面进行处理带上正负电荷，然后与羧化壳聚糖等进行复合制备了纤维素基气凝胶用于有机染料吸附。公开号为CN105289527A的中国发明专利将纤维素在离子液体LiCl/DMAc中进行酯化，然后制备了纤维素酯气凝胶用于吸附废水中有机物。但该纤维素酯气凝胶制备过程中使用了大量的试剂，且操作复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于吸附有机溶剂的纤维素基碳气凝胶及其制备方法和应用。所述纤维素基碳气凝胶对有机溶剂的吸附可达自身质量的60倍以上，且其操作简单，利用机械力作用，在天然纤维素纳米化的同时与改性纤维素复合，提高了天然纤维素的利用率，对环境污染小，经济实用。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种纤维素基碳气凝胶的制备方法，包括如下步骤：

(1)将天然纤维素与改性纤维素加入到溶剂中，混合；

(2)通过研磨将混合物制成纤维素胶状物；

(3)将纤维素胶状物用水稀释制成分散液，冷冻干燥，得到纤维素基气凝胶；

(4)在氮气、氩气或氦气条件下煅烧碳化纤维素基气凝胶，得到纤维素基碳气凝胶。

本发明通过研磨破坏天然纤维素中氢键与结晶结构，使天然纤维素中更多的自由羟基暴露出来，增大纤维素可及度，实现纤维素的纤维化；同时，天然纤维素与改性纤维素相互作用形成复合纤维素胶状物，再通过冷冻干燥实现复合纤维素胶状物的气凝胶化，最后通过煅烧碳化提高纤维素气凝胶的吸附性能。

在本发明步骤(1)中，所述天然纤维素来源于木材、棉花、麻、农作物秸秆、农作物果实；天然纤维素宏观形状为纤维状、颗粒或浆板状；所述改性纤维素选自乙基纤维素、醋酸纤维素、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素。

步骤(1)中，所述天然纤维素与改性纤维素的质量比为1:0.01-0.2；优选1:0.01-0.1。本发明通过改进现有纤维素气凝胶工艺，大大提高天然纤维素的利用率，降低了现有纤维素气凝胶的生产成本。

步骤(1)中，所述溶剂选自水、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜。