一种氮掺杂的钙纳米多孔碳吸附剂的制备方法

本发明属于水处理磷吸附剂材料领域。

背景技术：

1、磷(p)是地球生物圈中的一种重要元素，被广泛用于制造工业和农业生产，以满足人类的需求。然而，这种含磷废水的大规模无管制排放将导致藻类、细菌和水生植物的异常生长，导致水体富营养化，鱼类大量死亡，并可能引发生态系统的崩溃。另一方面，磷是一种不可再生资源。因此，作为一种对生物圈循环至关重要的不可再生资源，降低水体中的磷浓度和磷回收具有重要的现实意义。

2、目前，吸附法是一种环境友好的除磷技术被用于深度处理工艺以去除剩余磷酸盐。钙(ca)作为水圈和岩石圈的天然矿物，与p具有高亲和力(cap，ksp:2.07×10-29)和环境友好特性，是一种很有前途的磷酸盐去除吸附剂。此外，在众多的吸附剂载体中，纳米多孔碳(npc)因其孔径可调、负载能力强、孔体积大而被认为是固液传质和分散金属最有前途的候选者之一。然而，这种复合吸附剂的制备过程中由于微界面电子云的重新分布和更稳定的原子轨道嵌合常常使复合吸附剂表现出低的本征活性，进而导致吸附效果提升有限。目前，氮掺杂被认为是改善材料物理化学性质的有效策略。氮的加入可以增加活性组分，包括石墨氮、吡啶氮和吡咯氮，以调节碳主体表面的电荷分布从而提高与磷之间的静电引力。然而，当前的难题是氮掺杂无法对活性位点ca起到直接影响，限制了吸附效果的进一步提升。

技术实现思路

1、本发明要解决现有氮掺杂无法对活性位点ca起到直接影响，进而限制了钙基纳米多孔碳吸附剂的磷吸附能力有效提升的问题，进而提供一种氮掺杂的钙纳米多孔碳吸附剂的制备方法。

2、一种氮掺杂的钙纳米多孔碳吸附剂的制备方法，它是按以下步骤进行的：

3、一、将氢氧化钙和α-甲基丙烯酸溶液加入去离子水中搅拌，然后固液分离，得到滤液；

4、二、将滤液与无水乙醇混合，然后室温下静置，离心收集白色纳米棒状团簇，真空恒温干燥后，得到钙-α-甲基丙烯酸；

5、三、将钙-α-甲基丙烯酸与尿素共混研磨，得到混合物，然后加入乙醇溶液直至混合物浸没，室温下静置，最后真空恒温干燥，得到氮掺杂的钙-α-甲基丙烯酸；

6、四、在氮气保护下，将氮掺杂的钙-α-甲基丙烯酸进行热解，冷却至室温后，对产物进行洗涤和研磨，得到氮掺杂的钙纳米多孔碳吸附剂。

7、本发明的有益效果是：

8、1、本发明采用自组装的方式确保了ca和n在载体上的均匀分布。通过二次自组装定向掺n的方式，有效的改变了复合吸附剂表面微观电子结构，为磷的吸附提供更丰富有效的活性位点。随后通过直接热解自组装形成的前体物质，方解石被封装在原位氮掺杂的3d纳米多孔碳框架中，形成稳定的多孔结构，有利于对溶液中磷的捕获。

9、2、采用本发明方法制备的ca/n-纳米多孔碳磷吸附剂的平衡吸附量高达169.06mg/g，是n掺杂前的1.5倍。

10、说明书附图

11、图1为实施例1～3和对比例1～4制备的吸附剂磷吸附去除率图；

12、图2为实施例1～3和对比例4制备的吸附剂磷吸附容量图；

13、图3为实施例1～3和对比例4制备的吸附剂扫描电子显微镜(sem)表征图；

14、图4为实施例2制备的ca/n-npc(1:2)吸附剂的元素分布图；

15、图5为实施例2制备的ca/n-npc(1:2)吸附剂表面x射线光电子能谱(xps)表征的n1s谱图；

16、图6为实施例1～3和对比例4制备的吸附剂的射线衍射(xrd)谱图。

技术特征：

1.一种氮掺杂的钙纳米多孔碳吸附剂的制备方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：

2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的钙纳米多孔碳吸附剂的制备方法，其特征在于步骤一中所述的氢氧化钙与α-甲基丙烯酸溶液中α-甲基丙烯酸的摩尔比为(0.3～0.7):1。

3.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的钙纳米多孔碳吸附剂的制备方法，其特征在于步骤一中所述的α-甲基丙烯酸溶液的质量百分数为98％～99.5％；步骤一中所述的α-甲基丙烯酸溶液与去离子水的体积比为1:(8～10)。

4.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的钙纳米多孔碳吸附剂的制备方法，其特征在于步骤一中在搅拌速度为120rpm～180rpm的条件下，将氢氧化钙和α-甲基丙烯酸溶液加入去离子水中搅拌6h～10h。

5.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的钙纳米多孔碳吸附剂的制备方法，其特征在于步骤二中所述的滤液与无水乙醇的体积比为1:(4～7)。

6.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的钙纳米多孔碳吸附剂的制备方法，其特征在于步骤二中室温下静置16h～20h；步骤二中所述的离心收集具体是在离心转速为6000rpm～8000rpm的条件下，离心5min～10min；步骤二中在温度为40℃～60℃的条件下，真空恒温干燥30h～40h。

7.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的钙纳米多孔碳吸附剂的制备方法，其特征在于步骤三中所述的钙-α-甲基丙烯酸与尿素的质量比为1:(1～3)。

8.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的钙纳米多孔碳吸附剂的制备方法，其特征在于步骤三中所述的乙醇溶液的质量百分数为50％～75％；步骤三中所述的混合物与乙醇溶液的质量比1:(0.8～1)。

9.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的钙纳米多孔碳吸附剂的制备方法，其特征在于步骤三中室温下静置1h～4h；步骤三中在温度为60℃～90℃的条件下，真空恒温干燥10h～16h。

10.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的钙纳米多孔碳吸附剂的制备方法，其特征在于步骤四中所述的热解具体是在n2气氛下，以3℃/min～5℃/min的加热速率，将氮掺杂的钙-α-甲基丙烯酸加热至500℃～700℃，然后在温度为500℃～700℃的条件下，保持1.5h～3h；步骤四中研磨后通过80目～100目筛。

技术总结一种氮掺杂的钙纳米多孔碳吸附剂的制备方法，它属于水处理磷吸附剂材料领域。本发明要解决现有氮掺杂无法对活性位点Ca起到直接影响，进而限制了钙基纳米多孔碳吸附剂的磷吸附能力有效提升的问题。制备方法：一、将氢氧化钙和α‑甲基丙烯酸溶液加入去离子水中搅拌；二、将滤液与无水乙醇混合，然后室温下静置；三、将钙‑α‑甲基丙烯酸与尿素共混研磨，然后加入乙醇溶液直至混合物浸没，室温下静置；四、热解。本发明用于氮掺杂的钙纳米多孔碳吸附剂的制备。技术研发人员：南军,张一博,刘博涵,叶雪松受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29