一种低共熔溶剂、负载碳量子点多孔吸附剂及制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种低共熔溶剂、负载碳量子点多孔吸附剂及制备方法和应用 (Eutectic solvent, carbon quantum dot-loaded porous adsorbent, and preparation method and application thereof ) 是由 张金锋 张睛 董红雨 闫忠清 赵腾达 齐冰 任红威 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及碳材料制备的技术领域,具体公开一种低共熔溶剂、负载碳量子点多孔吸附剂及制备方法和应用。所述低共熔溶剂由摩尔比为3～1:5～1:0.1的铵碱类化合物、C6～C12中链脂肪酸和水溶性钼酸盐制备而成。所述负载碳量子点多孔吸附剂的制备方法为：将所述低共熔溶剂与多孔载体反应制得。本发明制备的负载碳量子点多孔吸附剂可用于吸收去除VOCs,且其制备方法操作方便,绿色环保,对VOCs具有优异的吸附性能和阻燃性能,在氧化高温条件下去除VOCs方面具有很高的应用前景。(The invention relates to the technical field of carbon material preparation, and particularly discloses a eutectic solvent, a carbon quantum dot-loaded porous adsorbent, a preparation method and application thereof. The eutectic solvent is prepared from an ammonium alkali compound, C6-C12 medium-chain fatty acids and water-soluble molybdate, wherein the molar ratio of the ammonium alkali compound to the C6-C12 medium-chain fatty acids to the water-soluble molybdate is 3-1: 5-1: 0.1. The preparation method of the porous adsorbent loaded with the carbon quantum dots comprises the following steps: the eutectic solvent is reacted with a porous carrier. The porous adsorbent loaded with the carbon quantum dots, which is prepared by the invention, can be used for absorbing and removing VOCs, and the preparation method is convenient to operate, green and environment-friendly, has excellent adsorption performance and flame retardant performance on VOCs, and has a very high application prospect in the aspect of removing VOCs under the condition of high temperature oxidation.)
技术领域
本发明涉及碳材料制备的技术领域，尤其涉及一种低共熔溶剂、负载碳量子点多孔吸附剂及制备方法和应用。
背景技术
大气中存在着大量的挥发性有机污染物(VOCs)，如苯、甲苯、甲醛、丙酮、二氯乙烷等，它们会直接参与大气中的光化学反应及颗粒污染物的形成，对人体健康和大气环境造成极大危害。当环境中的VOCs物质达到一定浓度时，短时间内人们会感到头痛、恶心、呕吐、乏力等，严重时会出现抽搐、昏迷，并会伤害到人的肝脏、肾脏、大脑和神经系统，造成记忆力减退等严重后果。多数VOCs还易燃易爆，对企业安全生产造成威胁。由此可见，控制VOCs污染对改善大气环境、保障人们身体健康以及保证安全生产具有十分重要的意义。现有挥发性有机污染物的净化方法主要有活性吸附法、燃烧处理法、吸收除气法、冷凝收集法、生物处理法等。吸附法因其能耗低、工艺简单、处理效果好等优点而备受青睐。
活性炭吸附法因具有成本低、操作工艺简单、易实现自动化控制以及吸附剂可再生重复利用等优点，被广泛应用于工业生产过程中挥发性有机物的去除。但是，活性炭在氧化条件下热稳定性较差，在实际应用过程中存在一定的火灾风险，极大地限制了其在工业中的应用。除此之外，活性炭的吸附性能也有待进一步提高。因此，研发一种既具有优异的吸附性能，又可重复利用且阻燃性优异的活性炭吸附剂具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术中活性炭阻燃性能较差以及吸附性能有待进一步提高的问题，本发明提供一种低共熔溶剂、负载碳量子点多孔吸附剂及制备方法和应用。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
一种低共熔溶剂，由摩尔比为3～1:5～1:0.1的铵碱类化合物、C6～C12中链脂肪酸和水溶性钼酸盐制备而成。
优选的，所述铵碱类化合物为四丁基氢氧化铵、甜菜碱或小檗碱中至少一种。
优选的，所述中链脂肪酸为己酸、辛酸、癸酸或月桂酸中至少一种。
优选的，所述水溶性钼酸盐为钼酸镁、钼酸钾或钼酸钠中至少一种。
优选的，将所述铵碱类化合物、C6～C12中链脂肪酸和水溶性钼酸盐混合均匀，加热至80℃～110℃，恒温至体系均一透明，即得所述低共熔溶剂。
进一步优选的，上述低共熔溶剂的制备方法中恒温反应的时间为3h～5h。
进一步优选的，以5～10℃/min的速率升温至80℃～110℃。
本发明还提供了上述低共熔溶剂在制备负载碳量子点多孔吸附剂中的应用。
本发明提供的低共熔溶剂中铵碱类化合物、中链脂肪酸均为疏水性物质，含有较多的疏水性官能团，将其作为制备碳量子点的前驱体，可在负载到载体之前对载体进行疏水改性，降低其表面及内部孔壁的表面能，有效减少其对水汽的吸附，同时，还能使载体通孔分布增多，孔径和比表面积增大，增加其对VOCs的吸附量，提高对VOCs的选择性吸附能力和吸附效率；且中链脂肪酸具有较高的稳定性和抗氧化性，可降低载体发生自燃爆炸的可能性；除此之外，铵碱类化合物、中链脂肪酸与钼酸盐反应后整体呈碱性环境，碱性环境可有效降低如活性炭一类载体的热膨胀，进一步提高载体的热稳定性，降低活性炭发生自燃爆炸的可能性。且当发生火灾时，碳量子点可形成致密均匀的碳化物覆盖在活性炭表面，隔绝活性炭与空气接触，抑制活性炭氧化，阻止活性炭生成CO、CH4等可燃性气体的生成，进一步抑制火灾蔓延，在氧化高温条件下去除VOCs方面具有很高的应用前景。
本发明还提供了一种负载碳量子点多孔吸附剂，由任一种上述的低共熔溶剂与多孔载体反应制得。
以本发明提供的低共熔溶剂为前驱体制备碳量子点，同时将碳量子点负载到多孔载体上，可以使多孔载体整体呈碱性疏水环境，有利于促进载体对VOCs废气的选择性吸附，并且碳量子点在发生火灾时可以形成均匀致密的碳化物覆盖载体，提高载体的热稳定性；且低共熔溶剂还可以对载体进行改性，增加载体的孔容、孔径以及比表面积，从而提高多孔载体的吸附量，提高对VOCs的吸附效率。
优选的，所述低共熔溶剂与多孔载体的质量比1～3:3。
优选的，所述多孔载体为活性炭。
本发明还提供了一种负载碳量子点多孔吸附剂的制备方法，包括如下步骤：
步骤a，将所述低共熔溶剂与多孔载体混合，加热至250℃～350℃，保温搅拌至无粘稠物，得吸附剂前驱体；
步骤b，将所述吸附剂前驱体于300℃～350℃焙烧3h～6h，得所述负载碳量子点多孔吸附剂。
优选的，步骤a中，保温搅拌的时间为20min～40min。
相对于现有技术，本发明提供的负载碳量子点多孔吸附剂的制备方法，以碱类化合物、C6～C12中链脂肪酸和水溶性钼酸盐为原料，形成化学稳定性良好的低共熔溶剂，低共熔溶剂体系均一性好，有利于反应物接触更充分，更有利于提高碳量子点在多孔载体的分散性，同时，低共熔溶剂还可对多孔载体表面进行疏水基团的修饰，从而提高多孔载体的疏水性和热稳定性，且低共熔溶剂还可增加多孔载体的比表面积和总孔容，使得制备的负载碳量子点多孔吸附剂具有优异的VOCs吸附性能和阻燃性能。
本发明提供的VOCs吸附剂的制备方法，不但减少了制备过程中产生的污染，提高了物料利用率，而且工艺简单，操作方便，成本低廉，低毒环保，是一种低成本、生态友好以及资源节约型的制备方法，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的碳量子点负载活性炭吸附剂的自燃点曲线图，其中，左上角插图为温度为360℃～400℃区间内的局部放大图；
图2为本发明对比例1制备的碳量子点负载活性炭吸附剂的自燃点曲线图；
图3为原始活性炭的自燃点曲线图；
图4为本发明测试吸附剂样品对VOCs吸附性能的装置示意图，其中，11-氮气瓶，12-恒温油浴锅，13-样品烧瓶，14-缓冲瓶，15-吸附箱，16-尾气吸收装置；
图5为本发明实施例1制备的碳量子点负载活性炭吸附剂的吸附曲线图；
图6为本发明对比例1制备的碳量子点负载活性炭吸附剂的吸附曲线图；
图7为原始活性炭的吸附曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了更好的说明本发明，下面通过实施例做进一步的举例说明。
实施例1
本发明实施例提供一种低共熔溶剂和负载碳量子点多孔吸附剂，
所述低共熔溶剂由摩尔比为3:5:0.1的四丁基氢氧化铵、己酸和钼酸钠制备而成，具体包括如下步骤：
将3mol四丁基氢氧化铵、5mol己酸和0.1mol钼酸钠进行混料处理，以5℃/min的速率升温至80℃，恒温反应5h，使体系均一透明，得到低共熔溶剂。
利用上述低共熔溶剂制备负载碳量子点多孔吸附剂的方法，具体包括如下步骤：
步骤a，将上述低共熔溶剂与活性炭按照质量比为1:3混合放入坩埚中，加热至300℃，保温搅拌30min，至坩埚内无粘稠物，停止加热，得吸附剂前驱体；
步骤b，待上述吸附剂前驱体降温至室温后，将其放入马弗炉中，于320℃焙烧5h，得负载碳量子点多孔吸附剂。
实施例2
本发明实施例提供一种低共熔溶剂和负载碳量子点多孔吸附剂，
所述低共熔溶剂由摩尔比为1:1:0.1的甜菜碱、癸酸和钼酸钾制备而成，具体包括如下步骤：
将1mol甜菜碱、1mol癸酸和0.1mol钼酸钾进行混料处理，以8℃/min的速率升温至90℃，恒温反应4h，使体系均一透明，得到低共熔溶剂。
利用上述低共熔溶剂制备负载碳量子点多孔吸附剂的方法，具体包括如下步骤：
步骤a，将上述低共熔溶剂与活性炭按照质量比为2:3混合放入坩埚中，加热至250℃，保温搅拌40min，至坩埚内无粘稠物，停止加热，得吸附剂前驱体；
步骤b，待上述吸附剂前驱体降温至室温后，将其放入马弗炉中，于350℃焙烧3h，得负载碳量子点多孔吸附剂。
实施例3
本发明实施例提供一种低共熔溶剂和负载碳量子点多孔吸附剂，
所述低共熔溶剂由摩尔比为2:3:0.1的小檗碱、月桂酸和钼酸镁制备而成，具体包括如下步骤：
将2mol小檗碱、3mol月桂酸和0.1mol钼酸镁进行混料处理，以10℃/min的速率升温至110℃，恒温反应3h，使体系均一透明，得到低共熔溶剂。
利用上述低共熔溶剂制备负载碳量子点多孔吸附剂的方法，具体包括如下步骤：
步骤a，将上述低共熔溶剂与活性炭按照质量比为1:1混合放入坩埚中，加热至350℃，保温搅拌20min，至坩埚内无粘稠物，停止加热，得吸附剂前驱体；
步骤b，待上述吸附剂前驱体降温至室温后，将其放入马弗炉中，于300℃焙烧6h，得负载碳量子点多孔吸附剂。
对比例1
本对比例提供一种负载碳量子点多孔吸附剂，其制备方法与实施例1完全相同，不同的仅是将四丁基氢氧化铵替换为等量的四丁基氯化铵。
对比例2
本对比例提供一种负载碳量子点多孔吸附剂，其制备方法与实施例1完全相同，不同的仅是将己酸替换为等量的丙酸。
对比例3
本对比例提供一种负载碳量子点多孔吸附剂，其制备方法与实施例1完全相同，不同的仅是将钼酸钠替换为等量的碳酸钠。
吸附性能测试
为了更好的说明本发明实施例提供的负载碳量子点多孔吸附剂的特性，对实施例1-3以及对比例1-3制备的碳量子进行相关测试，测试内容包括比表面积、孔径分析、自燃点测试，以及甲苯和环己烷的吸收性能测试。
采用BET法对实施例1-3、对比例1-3制备的负载碳量子点吸附剂以及原始活性炭样品进行比表面积和孔径测试，测试结果如表1所示。
表1
由上表可以看出，实施例1-3制备的碳量子点负载活性炭吸附剂的比表面积和微孔孔径明显大于对比例1-3以及原始活性炭的比表面积和微孔孔径，这说明本发明实施例提供碳量子点负载活性炭的方法，有利于显著提高活性炭的吸附性能。
采用固体自燃点分析仪对实施例1-3、对比例1-3制备的碳量子点负载活性炭吸附剂以及原始活性炭样品进行自燃点测试，测试结果如表2所示。其中，实施例1制备的碳量子点负载活性炭吸附剂的自燃点曲线如图1所示，对比例1制备的碳量子点负载活性炭吸附剂的自燃点曲线如图2所示，原始活性炭的自燃点曲线如图3所示。
表2
由上表可以看出，原始活性炭的自燃点为295.1℃，发生自燃所需时间为8.90h；对比例1制备的碳量子点负载活性炭样品的自燃温度为330.6℃，发生自燃所需时间为10.12h；实施例1中碳量子点负载活性炭样品的自燃点为398.2℃，比对比例1高67.6℃，比原始活性炭高103.1℃。且实施例1-3制备的碳量子点负载活性炭样品的自燃温度均明显高于对比例1-3以及原始活性炭样品。说明本发明实施例制备的碳量子点负载活性炭样品自燃点更高，发生自燃所需时间更长，阻燃性能优异。
采用如图4所示的装置对实施例1-3、对比例1-3制备的碳量子点负载活性炭样品以及原始活性炭进行甲苯和环己烷的吸收性能测试。测试过程如下：
将VOCs样品放入置于恒温油浴锅12的样品烧瓶13中，恒温油浴锅内装有硅油，将油浴锅升温至110℃～130℃，使VOCs样品充分挥发，利用氮气气源将气化的VOCs样品吹入与样品烧瓶连接的缓冲瓶14中，缓冲瓶起到气流缓冲和气体混合的作用，VOCs样品经缓冲瓶进入装有吸附剂样品的吸附箱15中，吸附箱连接有尾气处理装置16。在吸附过程中每隔20min对吸附箱进行称量，当前后两次称量重量差小于0.01mg时，吸附剂样品对VOCs样品的吸附达到饱和吸附量。
可选的，尾气处理装置为装有氢氧化钠溶液的锥形瓶。
测试结果如表3所示。其中，实施例1制备的碳量子点负载活性炭吸附剂的吸附曲线如图5所示，对比例1制备的碳量子点负载活性炭吸附剂的吸附曲线如图6所示，原始活性炭的吸附曲线如图7所示。
表3
由上表可以看出，原始活性炭对甲苯在200min吸附饱和，饱和吸附量为27.21mg/g；对环己烷在180min时吸附饱和，饱和吸附量为30.22mg/g。实施例1中碳量子点负载活性炭样品对甲苯在360min吸附饱和，饱和吸附量为90.80mg/g；对环己烷在360min吸附饱和，饱和吸附量为97.62mg/g。对比例1中碳量子点负载活性炭样品对甲苯在260min吸附饱和，饱和吸附量为40.21mg/g；对环己烷在260min吸附饱和，饱和吸附量为48.61mg/g。且实施例1-3对甲苯和环己烷的饱和吸附量均明显高于对比例1-3以及原始活性炭，这说明本发明实施例制备的碳量子点负载活性炭样品的吸附性能更加优异。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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