本發(fā)明涉及活性炭材料技術(shù)領域，尤其涉及一種三元泡沫活性炭材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
活性炭是一種具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)和巨大比表面積的多孔碳質(zhì)吸附材料，因其具有吸附能力強、物理化學穩(wěn)定性好、力學強度高、失效后再生等特點，而被廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護等諸多領域，為社會的發(fā)展及人民生活質(zhì)量的提高作出了巨大貢獻，從最初發(fā)現(xiàn)木炭的吸附脫色作用到活性炭實現(xiàn)工業(yè)化工藝生產(chǎn)以及活性炭產(chǎn)品的多元化發(fā)展己經(jīng)歷了漫長的發(fā)展史。而泡沫活性炭是由孔泡和相互連結(jié)的孔泡壁組成的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔材料，這種獨特的結(jié)構(gòu)特征使其具有低密度、高比強度等特點，是一種輕質(zhì)多孔性材料。
傳統(tǒng)的泡沫活性炭在高溫炭化過程中容易破裂，導致泡沫活性炭的整體結(jié)構(gòu)難以控制。從現(xiàn)有技術(shù)文獻看，目前泡沫活性炭存在的主要問題是多以石油基原料為前驅(qū)體，加工工序復雜，制作成本高且泡沫活性炭難以降解，環(huán)境污染大。因此，研制一種孔徑均勻、形狀各異、結(jié)構(gòu)缺陷少且對環(huán)境無污染的泡沫活性炭復合材料迫在眉睫。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的一個目的是提供一種三元泡沫活性炭材料，具有非常好的吸附能力，對甲基藍具更佳的親和力，吸附率高，過濾效果好，使用壽命長。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種三元泡沫活性炭材料的制備方法，制備方法簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)。
本發(fā)明要解決現(xiàn)有泡沫活性炭在高溫炭化過程中容易破裂，導致泡沫活性炭的整體結(jié)構(gòu)難以控制，且多以石油基原料為前驅(qū)體，加工工序復雜，制作成本高且泡沫活性炭難以降解，環(huán)境污染大的問題，而提供泡沫活性炭材料及其制備方法。
本發(fā)明提供的一種三元泡沫活性炭材料的制備方法，其特征在于：按以下步驟制備：
(1)稱量：按重量份數(shù)稱取5份～15份三聚氰胺、15份～20份37％甲醛溶液、2份～3.5份發(fā)泡劑、0.1份～0.2份硅油、0.1份～0.15份引發(fā)劑、2份～5份秸稈纖維、0.1份～0.4份戊二醛和2份～8份環(huán)氧樹脂；
(2)混合：首先將5份～15份三聚氰胺、15份～20份37％甲醛溶液、2份～5份秸稈纖維、0.1份～0.4份戊二醛和2份～8份環(huán)氧樹脂加入到1號模具中，攪拌均勻，得到混合料；
(3)發(fā)泡：將混合料加入到2號模具中，再加入2份～3.5份發(fā)泡劑、0.1份～0.2份硅油、0.1份～0.15份引發(fā)劑，攪拌至有氣泡產(chǎn)生，靜置發(fā)泡24h～48h，得到發(fā)泡后的混合物；
(4)固化：將發(fā)泡后的混合物加入到3號模具中，在室溫下固化30min～60min，然后在60℃～120℃下固化2～6h，得到秸稈纖維/密胺樹脂/環(huán)氧樹脂三元泡沫；
(5)活化：室溫下，將秸稈纖維/密胺樹脂/環(huán)氧樹脂三元泡沫浸漬于質(zhì)量百分數(shù)為50％～70％的混合酸中，反應1h～2h，得到浸漬后的泡沫材料，所述混合酸為硫酸和磷酸按照1:3～2:1(質(zhì)量比)混合而成，將浸漬后的泡沫材料置于馬弗爐中，將馬弗爐以1℃/min～5℃/min的升溫速率從室溫升溫至400℃～1200℃，然后在惰性氣體氣氛和溫度為400℃～1200℃的條件下，活化反應0.5h～4h，活化后自然冷卻至室溫，得到活化材料，以去離子水為洗滌液對活化材料進行水洗，直至洗滌液為中性，最后在溫度為60℃～110℃的條件下，對洗滌后的活化材料干燥1h～6h，得到活性炭/密胺樹脂/環(huán)氧樹脂三元泡沫活性炭材料；
所述的惰性氣體為氮氣和氬氣中的一種或兩種的混合氣體。
優(yōu)選地，步驟(1)中所述的秸稈為麥稈、稻稈、玉米稈中的一種或幾種。
優(yōu)選地，步驟(1)中所述的引發(fā)劑為三亞乙基二胺、二月桂酸二丁基錫、辛酸亞錫、油酸鉀和辛酸鉀中的一種或其中兩種的混合物。
優(yōu)選地，步驟(1)中所述的引發(fā)劑為油酸鉀或辛酸鉀。
優(yōu)選地，步驟(1)中所述的發(fā)泡劑為物理發(fā)泡劑。
進一步優(yōu)選地，所述的物理發(fā)泡劑為戊烷、環(huán)戊烷、正戊烷、異戊烷和鹵代烷烴中的一種或其中兩種的混合物。
進一步優(yōu)選地，所述的物理發(fā)泡劑為環(huán)戊烷和鹵代烷烴中的一種或其中兩種的混合物。
進一步優(yōu)選地，所述的物理發(fā)泡劑為3-氯代戊烷。
優(yōu)選地，步驟(1)中所述的環(huán)氧樹脂為環(huán)氧樹脂E44或環(huán)氧樹脂E51。
本發(fā)明提供的一種三元泡沫活性炭材料，通過上述任意一種方法制備。
本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明制備的泡沫活性炭材料的結(jié)構(gòu)、成分和性能比較均勻，平均孔徑為2nm～3nm，網(wǎng)格較粗，而且可以加工成任何形態(tài)，材料的強度高，其壓縮模量近0.25MPa。對污染物的分離效率達到90％以上，尤其是對甲基藍，吸附能力可達95mg/g，不易引起堵塞。
具體實施方案
實施例1：本實施例提供一種三元泡沫活性炭材料制備方法，按以下步驟制備：
(1)稱量：按重量份數(shù)稱取5份三聚氰胺、15份37％甲醛溶液、2份3-氯代戊烷、0.1份硅油、0.1份油酸鉀、2份麥稈纖維、0.1份戊二醛和2份環(huán)氧樹脂E51；
所述麥稈纖維是麥稈去污、洗凈、干燥、粉碎、過80目篩制得；
(2)混合：首先將5份三聚氰胺、15份37％甲醛溶液、2份麥稈纖維、0.1份戊二醛和2份環(huán)氧樹脂E51加入到1號模具中，攪拌均勻，得到混合料；
(3)發(fā)泡：將混合料加入到2號模具中，再加入2份3-氯代戊烷、0.1份硅油、0.1份油酸鉀，攪拌至有氣泡產(chǎn)生，靜置發(fā)泡48h，得到發(fā)泡后的混合物；
(4)固化：將發(fā)泡后的混合物加入到3號模具中，在室溫下固化30min，然后在60℃下固化6h，得到麥稈纖維/密胺樹脂/環(huán)氧樹脂三元泡沫；
(5)活化：室溫下，將麥稈纖維/密胺樹脂/環(huán)氧樹脂三元泡沫浸漬于質(zhì)量百分數(shù)為50％的混合酸中，反應2h，得到浸漬后的泡沫材料，所述混合酸為硫酸和磷酸按照2:1(質(zhì)量比)混合而成，將浸漬后的泡沫材料置于馬弗爐中，將馬弗爐以1℃/min的升溫速率從室溫升溫至400℃，然后在氬氣氣氛和溫度為400℃的條件下，活化反應4h，活化后自然冷卻至室溫，得到活化材料，以去離子水為洗滌液對活化材料進行水洗，直至洗滌液為中性，最后在溫度為60℃的條件下，對洗滌后的活化材料干燥6h，得到活性炭/密胺樹脂/環(huán)氧樹脂三元泡沫活性炭材料。
實施例2：本實施例提供一種三元泡沫活性炭材料制備方法，按以下步驟制備：
(1)稱量：按重量份數(shù)稱取10份三聚氰胺、20份37％甲醛溶液、3份3-氯代戊烷、0.15份硅油、0.12份油酸鉀、3份麥稈纖維、0.3份戊二醛和5份環(huán)氧樹脂E51；
所述廢棄密胺樹脂粉是將廢棄密胺樹脂去污、洗凈、干燥、粉碎、過80目篩制得：
所述麥稈纖維是麥稈去污、洗凈、干燥、粉碎、過80目篩制得；
(2)混合：首先將10份三聚氰胺、20份37％甲醛溶液、3份麥稈纖維、0.3份戊二醛和5份環(huán)氧樹脂E51加入到1號模具中，攪拌均勻，得到混合料；
(3)發(fā)泡：將混合料加入到2號模具中，再加入3份3-氯代戊烷、0.15份硅油、0.12份油酸鉀，攪拌至有氣泡產(chǎn)生，靜置發(fā)泡36h，得到發(fā)泡后的混合物；
(4)固化：將發(fā)泡后的混合物加入到3號模具中，在室溫下固化45min，然后在80℃下固化4h，得到麥稈纖維/密胺樹脂/環(huán)氧樹脂三元泡沫；
(5)活化：室溫下，將麥稈纖維/密胺樹脂/環(huán)氧樹脂三元泡沫浸漬于質(zhì)量百分數(shù)為60％的混合酸中，反應1.5h，得到浸漬后的泡沫材料，所述混合酸為硫酸和磷酸按照1:1(質(zhì)量比)混合而成，將浸漬后的泡沫材料置于馬弗爐中，將馬弗爐以3℃/min的升溫速率從室溫升溫至800℃，然后在氬氣氣氛和溫度為800℃的條件下，活化反應2h，活化后自然冷卻至室溫，得到活化材料，以去離子水為洗滌液對活化材料進行水洗，直至洗滌液為中性，最后在溫度為80℃的條件下，對洗滌后的活化材料干燥3h，得到活性炭/密胺樹脂/環(huán)氧樹脂三元泡沫活性炭材料。
實施例3：本實施例提供一種三元泡沫活性炭材料制備方法，按以下步驟制備：
(1)稱量：按重量份數(shù)稱取15份三聚氰胺、15份37％甲醛溶液、3.5份3-氯代戊烷、0.2份硅油、0.15份油酸鉀、5份麥稈纖維、0.4份戊二醛和8份環(huán)氧樹脂E51；
所述麥稈纖維是麥稈去污、洗凈、干燥、粉碎、過80目篩制得；
(2)混合：首先將15份三聚氰胺、15份37％甲醛溶液、5份麥稈纖維、0.4份戊二醛和8份環(huán)氧樹脂E51加入到1號模具中，攪拌均勻，得到混合料；
(3)發(fā)泡：將混合料加入到2號模具中，再加入3.5份3-氯代戊烷、0.2份硅油、0.15份油酸鉀，攪拌至有氣泡產(chǎn)生，靜置發(fā)泡24h，得到發(fā)泡后的混合物；
(4)固化：將發(fā)泡后的混合物加入到3號模具中，在室溫下固化60min，然后在120℃下固化2h，得到麥稈纖維/密胺樹脂/環(huán)氧樹脂三元泡沫；
(5)活化：室溫下，將麥稈纖維/密胺樹脂/環(huán)氧樹脂三元泡沫浸漬于質(zhì)量百分數(shù)為70％的混合酸中，反應1h，得到浸漬后的泡沫材料，所述混合酸為硫酸和磷酸按照1:3(質(zhì)量比)混合而成，將浸漬后的泡沫材料置于馬弗爐中，將馬弗爐以5℃/min的升溫速率從室溫升溫至1200℃，然后在氬氣氣氛和溫度為1200℃的條件下，活化反應0.5h，活化后自然冷卻至室溫，得到活化材料，以去離子水為洗滌液對活化材料進行水洗，直至洗滌液為中性，最后在溫度為110℃的條件下，對洗滌后的活化材料干燥1h，得到活性炭/密胺樹脂/環(huán)氧樹脂三元泡沫活性炭材料。
實施例4：本實施例提供一種三元泡沫活性炭材料制備方法，與實施例1的不同點是：所述油酸鉀替換為辛酸鉀，所述環(huán)氧樹脂E51替換為環(huán)氧樹脂E44。
實施例5：本實施例提供一種三元泡沫活性炭材料制備方法，與實施例2的不同點是：所述油酸鉀替換為辛酸鉀，所述環(huán)氧樹脂E51替換為環(huán)氧樹脂E44。
實施例6：本實施例提供一種三元泡沫活性炭材料制備方法，與實施例3的不同點是：所述油酸鉀替換為辛酸鉀，所述環(huán)氧樹脂E51替換為環(huán)氧樹脂E44。
實施例7：本實施例提供一種三元泡沫活性炭材料制備方法，與實施例1的不同點是：所述麥稈纖維替換為稻稈纖維，所述稻稈纖維是稻稈去污、洗凈、干燥、粉碎、過80目篩制得。
實施例8：本實施例提供一種三元泡沫活性炭材料制備方法，與實施例2的不同點是：所述麥稈纖維替換為稻稈纖維，所述稻稈纖維是稻稈去污、洗凈、干燥、粉碎、過80目篩制得。
實施例9：本實施例提供一種三元泡沫活性炭材料制備方法，與實施例3的不同點是：所述麥稈纖維替換為稻稈纖維，所述稻稈纖維是稻稈去污、洗凈、干燥、粉碎、過80目篩制得。
實施例10：本實施例提供一種三元泡沫活性炭材料制備方法，與實施例1的不同點是：所述麥稈纖維替換為玉米稈纖維。
實施例11：本實施例提供一種三元泡沫活性炭材料制備方法，與實施例2的不同點是：所述麥稈纖維替換為玉米稈纖維，所述玉米稈纖維是稻稈去污、洗凈、干燥、粉碎、過80目篩制得。
實施例12：本實施例提供一種三元泡沫活性炭材料制備方法，與實施例3的不同點是：所述麥稈纖維替換為玉米稈纖維，所述玉米稈纖維是稻稈去污、洗凈、干燥、粉碎、過80目篩制得。
實施例13：本實施例提供一種三元泡沫活性炭材料制備方法，與實施例2的不同點是：所述發(fā)泡劑為戊烷和正戊烷的混合物。
實施例14：本實施例提供一種三元泡沫活性炭材料制備方法，與實施例2的不同點是：所述發(fā)泡劑為環(huán)戊烷和異戊烷的混合物。
實施例15：本實施例提供一種三元泡沫活性炭材料制備方法，與實施例2的不同點是：所述氬氣替換為氮氣。
采用下述試驗驗證本發(fā)明效果：
試驗例：
將上述實施例1～15制得的三元泡沫活性炭材料進行性能測試，測定其壓縮模量、孔徑、吸附能力下表。
表1
其壓縮模量范圍為0.2295～0.2486Mpa，尤其是實施例2制得的泡沫活性炭材料其壓縮模量近0.25Mpa。
通過混合酸活化和加熱后其開孔率增加，本發(fā)明制備的三元泡沫活性炭材料孔徑范圍為2～3nm，平均孔徑為2.6nm，尤其是實施例8制得的泡沫活性炭材料，孔徑范圍為2.4～2.8nm，平均孔徑為2.58nm。
本發(fā)明制備的三元泡沫活性炭材料對甲基藍的吸附能力較高，吸附能力范圍為84～95mg/g，尤其是實施例5制備的泡沫活性炭材料可達95mg/g，去除率可達90％以上。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。