本發(fā)明涉及一種堿活化的木質(zhì)素基活性碳纖維及其制備方法，屬于活性碳纖維材料領域。

背景技術：

活性碳纖維是一種線性具有多孔性的材料，其具有比表面積大、吸附路徑短、吸附速率快、熱穩(wěn)定性好及化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可廣泛應用于水體凈化、空氣凈化、催化劑載體、電極材料及過濾系統(tǒng)等方面。早在上世紀六十年代日本就開始活性炭纖維的研究，但目前為止，生產(chǎn)活性碳纖維的原材料主要還是化石材料，隨著化石能源的日益減少，如果繼續(xù)使用化石材料為原材料，會使活性碳纖維的生產(chǎn)成本越來越高且可持續(xù)性也受到挑戰(zhàn)，在提倡可持續(xù)發(fā)展的今天，使用生物質(zhì)材料生產(chǎn)活性碳纖維變得越來越有意義。

木質(zhì)素是世界上第一大含有芳香環(huán)的生物質(zhì)資源，其含碳量超過60％，是生產(chǎn)碳材料最具潛力的原材料。目前，世界上每年木質(zhì)素產(chǎn)量為4000-5000萬噸，其大部分都被制漿造紙工廠作為燃料使用，只有2％的木質(zhì)素被有效利用。使用木質(zhì)素作為活性碳纖維的原料，不僅實現(xiàn)了廢物循環(huán)利用和活性碳纖維原料的可持續(xù)性，還節(jié)約了化石材料、減輕對環(huán)境的污染與破壞。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過利用木質(zhì)素作為活性碳纖維的原料，解決了上述問題。

本發(fā)明提供了一種堿活化的木質(zhì)素基活性碳纖維的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

紡絲液的制備：將助紡劑溶于有機溶劑中，再加入木質(zhì)素，溶解后得到紡絲液，所述助紡劑、有機溶劑與木質(zhì)素的重量比為0.2-1：19-19.8：46.7-80；

高壓靜電紡絲：噴頭與接收器的距離為10-30cm，紡絲電壓為10-20kV，紡絲液的推進速率為0.3-1.5mL/h，得到纖維原絲；

碳化：將纖維原絲在空氣氛圍下，以0.1-5℃/min升溫至250℃，保溫1-5h，再在惰性氣體保護下，以0.1-10℃/min升溫至600℃，保溫1-10h，自然冷卻至室溫，得到碳纖維；

堿活化：將碳纖維浸在20-60g/L的堿溶液中，使碳纖維與堿的重量比為1：1-6，干燥，以1-10℃/min升溫至600-800℃，保溫1-5h，再以1-5℃/min降溫至300℃，然后自然冷卻至室溫，水洗至中性，干燥，得到堿活化的木質(zhì)素基活性碳纖維。

本發(fā)明所述助紡劑優(yōu)選為聚乙烯腈、聚氧化乙烯或聚乙烯醇。

本發(fā)明所述有機溶劑優(yōu)選為N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、丙酮或四氫呋喃。

本發(fā)明所述惰性氣體優(yōu)選為高純氮氣或高純氬氣。

本發(fā)明所述堿優(yōu)選為氫氧化鈉或氫氧化鉀。

本發(fā)明所述木質(zhì)素的制備方法優(yōu)選為：將原料蒸煮，過濾，將濾液加入到水中，調(diào)節(jié)pH值至1-3，靜置，木質(zhì)素析出后，離心，干燥，得到木質(zhì)素，所述原料為玉米秸稈酶解殘渣、玉米秸稈、蘆葦或麥草。

本發(fā)明所述蒸煮的方法優(yōu)選為自催化乙醇法、堿/酸乙醇法、硫酸鹽法或氫氧化鈉法。

本發(fā)明所述離心方法優(yōu)選為1000-5000r/min離心5-60min。

本發(fā)明所述干燥方法優(yōu)選為-80--70℃冷凍干燥或40-80℃干燥3-48h。

本發(fā)明另一目的為提供一種上述方法制備的堿活化的木質(zhì)素基活性碳纖維。

本發(fā)明有益效果為：

①本發(fā)明以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料，既降低了活性碳纖維的成本，又實現(xiàn)了廢物利用，同時又減少了對石油基材料的使用；

②本發(fā)明采用靜電紡絲法，可得到直徑納米級的纖維，有利于增加纖維的比表面積；

③本發(fā)明采用氫氧化鈉、氫氧化鉀等基礎堿對碳纖維進行活化，藥品來源普遍，成本小，適合工業(yè)化生產(chǎn)；

④本發(fā)明制備的堿活化的木質(zhì)素基活性碳纖維可以替代聚丙烯晴基碳纖維和活性炭在吸附上的應用。

附圖說明

本發(fā)明附圖2幅，

圖1為實施例1制備的堿活化的木質(zhì)素基活性碳纖維的掃描電鏡圖；

圖2為實施例1制備的堿活化的木質(zhì)素基活性碳纖維吸附亞甲基藍的吸附量圖。

具體實施方式

下述非限制性實施例可以使本領域的普通技術人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。

實施例1

一種堿活化的木質(zhì)素基活性碳纖維的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

木質(zhì)素的制備：將玉米秸稈酶解殘渣研磨，采用氫氧化鈉法蒸煮，過濾，將濾液加入到其10倍體積的去離子水中，采用鹽酸調(diào)節(jié)pH值至1，靜置過夜，木質(zhì)素析出后，2000r/min離心30min，60℃干燥24h，得到木質(zhì)素；

紡絲液的制備：將聚氧化乙烯加入到N,N-二甲基甲酰胺中，60℃攪拌溶解，再加入木質(zhì)素，30℃攪拌溶解，得到紡絲液，所述聚氧化乙烯、N,N-二甲基甲酰胺與木質(zhì)素的重量比為1：19：80；

高壓靜電紡絲：將紡絲液加入到注射器中，注射器針頭與滾筒的距離為20cm，注射器針頭與正電壓為14kV的正高壓電源連接，滾筒與3kV的負高壓電源連接，紡絲液的推進速率為1mL/h，滾筒的轉速為500r/min，得到纖維原絲；

碳化：將纖維原絲在空氣氛圍下，以2.2℃/min升溫至250℃，保溫1h，再在高純氮氣保護下，以7℃/min升溫至600℃，保溫1h，自然冷卻至室溫，得到碳纖維；

堿活化：將碳纖維浸在60g/L的氫氧化鉀溶液中，使碳纖維與氫氧化鉀的重量比為1：6，110℃干燥，以4℃/min升溫至800℃，保溫1h，再以5℃/min降溫至300℃，然后自然冷卻至室溫，水洗至中性，干燥，得到堿活化的木質(zhì)素基活性碳纖維。

實施例2

一種堿活化的木質(zhì)素基活性碳纖維的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

木質(zhì)素的制備：將玉米秸稈研磨，采用硫酸鹽法蒸煮，過濾，將濾液加入到其10倍體積的去離子水中，采用鹽酸調(diào)節(jié)pH值至2，靜置過夜，木質(zhì)素析出后，3000r/min離心40min，80℃干燥20h，得到木質(zhì)素；

紡絲液的制備：將聚乙烯腈加入到N,N-二甲基甲酰胺中，60℃攪拌溶解，再加入木質(zhì)素，30℃攪拌溶解，得到紡絲液，所述聚乙烯腈、N,N-二甲基甲酰胺與木質(zhì)素的重量比為0.6：19.4：60；

高壓靜電紡絲：將紡絲液加入到注射器中，注射器針頭與滾筒的距離為10cm，注射器針頭與正電壓為12kV的正高壓電源連接，滾筒與3kV的負高壓電源連接，紡絲液的推進速率為1mL/h，滾筒的轉速為500r/min，得到纖維原絲；

碳化：將纖維原絲在空氣氛圍下，以1.5℃/min升溫至250℃，保溫1h，再在高純氮氣保護下，以6℃/min升溫至600℃，保溫1h，自然冷卻至室溫，得到碳纖維；

堿活化：將碳纖維浸在60g/L的氫氧化鉀溶液中，使碳纖維與氫氧化鉀的重量比為1：3，110℃干燥，以3℃/min升溫至700℃，保溫1h，再以4℃/min降溫至300℃，然后自然冷卻至室溫，水洗至中性，干燥，得到堿活化的木質(zhì)素基活性碳纖維。

實施例3

一種堿活化的木質(zhì)素基活性碳纖維的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

木質(zhì)素的制備：將麥草研磨，采用堿乙醇法蒸煮，過濾，將濾液加入到其10倍體積的去離子水中，采用鹽酸調(diào)節(jié)pH值至3，靜置過夜，木質(zhì)素析出后，4500r/min離心10min，40℃干燥36h，得到木質(zhì)素；

紡絲液的制備：將聚氧化乙烯加入到N,N-二甲基甲酰胺中，60℃攪拌溶解，再加入木質(zhì)素，30℃攪拌溶解，得到紡絲液，所述聚氧化乙烯、N,N-二甲基甲酰胺與木質(zhì)素的重量比為0.2：19.8：46.7；

高壓靜電紡絲：將紡絲液加入到注射器中，注射器針頭與滾筒的距離為25cm，注射器針頭與正電壓為13kV的正高壓電源連接，滾筒與3kV的負高壓電源連接，紡絲液的推進速率為1.5mL/h，滾筒的轉速為500r/min，得到纖維原絲；

碳化：將纖維原絲在空氣氛圍下，以3.5℃/min升溫至250℃，保溫1h，再在高純氮氣保護下，以8℃/min升溫至600℃，保溫1h，自然冷卻至室溫，得到碳纖維；

堿活化：將碳纖維浸在40g/L的氫氧化鉀溶液中，使碳纖維與氫氧化鉀的重量比為1：1，110℃干燥，以8℃/min升溫至700℃，保溫1h，再以2℃/min降溫至300℃，然后自然冷卻至室溫，水洗至中性，干燥，得到堿活化的木質(zhì)素基活性碳纖維。