一种基于废弃棉的多孔碳纤维材料的制备方法及

本发明涉及废弃农作物高效利用领域，具体涉及一种基于废弃棉的多孔碳纤维材料的制备方法及应用。背景技术：1、在当今世界，纺织业是全球最大的工业部门之一，其产生了大量的纺织废料，尤其是废弃棉。这些废弃棉通常被视为无用废物，造成了巨大的环境压力和资源浪费。然而，废弃棉由于其独特的纤维结构和化学成分(主要是纤维素)，实际上是一种潜在的宝贵资源，可用于制备高附加值的碳纤维材料。2、碳纤维因其轻质、高强度、良好的电导性和热稳定性，在许多领域中都有广泛的应用。近年来，随着环境保护意识的增强和资源可持续利用的需求，如何有效转化废弃纤维成为高性能的碳纤维材料已成为研究的热点。此外，分级多孔结构的碳纤维材料在水处理和能源存储领域显示出巨大的潜力，尤其是在电容去离子(cdi)技术中。cdi是一种新兴的水处理技术，它利用电极材料的电容性质来去除水中的离子。这种技术相较于传统的水处理方法，如反渗透或离子交换，具有能耗低、操作简单、对环境友好等优点。cdi技术的核心在于使用高性能的电极材料，这些材料需要具备高比表面积、良好的电导性和适宜的孔隙结构以便于离子的快速迁移和吸附。然而，当前商业上可用的碳基材料往往成本高昂，且生产过程中可能对环境产生不利影响。3、在这一背景下，开发一种既环保又经济的新型电极材料显得尤为重要。本发明旨在通过废弃棉制备分级多孔碳纤维材料，并应用于cdi技术中。这种基于废弃棉的碳纤维材料不仅有利于减少废弃物对环境的影响，同时由于其独特的孔隙结构和良好的电导性，预期在电容去离子过程中表现出优异的性能，如提高去离子效率、增加处理水量等。这将进一步推动cdi技术在水处理领域的应用，尤其是在去除水体中的重金属离子、盐分等方面的应用。基于此，本发明提供了一种基于废弃棉的多孔碳纤维材料的制备方法及应用。技术实现思路1、本发明的目的是提供一种基于废弃棉的多孔碳纤维材料的制备方法及应用，涉及利用废弃棉制备分级多孔碳纤维材料，为了开发出一种碳纤维材料，具有高比表面积、优良的电导性及合适的孔隙结构，以满足电容去离子(cdi)技术中对高性能电极材料的要求。2、一方面，本发明提供一种基于废弃棉的多孔碳纤维材料的制备方法，步骤包括：3、(1)废弃棉的预处理：对收集到的废弃棉纺织品进行清洗和纯化处理；4、(2)碳化处理：将经过预处理的棉纤维进行烘干，在500-1300℃、惰性气体氛围条件下进行缓慢碳化，随后水洗烘干；5、(3)活化和多孔化处理：将碳化后的棉纤维与活化剂混合，在700-1100℃、惰性气体氛围条件下进行处理得到多孔碳纳米纤维；6、(4)功能化处理：将多孔碳纳米纤维与n,n-二甲基甲酰胺混合，在170-190℃下反应14-15h后冷却至室温，清洗后干燥即得氮掺杂多孔碳纳米纤维；随后将氮掺杂多孔碳纳米纤维浸入浓硝酸溶液中，并在80-100℃保持4-5h，洗涤后得到羰基官能化的多孔碳纳米纤维。7、进一步地，所述清洗方式包括利用离子水洗、乙醇和丙酮中的一种或几种清洗。8、进一步地，所述纯化处理包括碱处理和酸处理，所述碱包括naoh和/或koh；所述酸包括h2so4和/或hcl。9、进一步地，所述惰性气体包括n2和/或ar。10、进一步地，所述步骤(2)中控制升温速率为2-10℃/min；所述碳化时间为3-5h。11、进一步地，所述活化剂包括h3po4、碱式碳酸锌、尿素、koh中的一种或几种。12、进一步地，所述活化剂包括质量比为(1-4)：1的碱式碳酸锌和尿素。13、进一步地，所述活化剂与碳化处理后的碳纤维质量比为(1-5)：1。14、进一步地，所述多孔碳纳米纤维与n,n-二甲基甲酰胺的用量比值为(40-60)mg：60ml。15、进一步地，所述步骤(3)中控制升温速率为4-6℃/min；所述处理时间为1-3h。16、进一步地，所述步骤(2)中烘干温度为60-100℃。17、另一方面，本发明中基于废弃棉的多孔碳纤维材料应用于电容去离子技术中。18、本发明制得的分级多孔碳纤维材料，具有以下特点：1)高比表面积：为了提高在电容去离子中的性能，本材料具有高比表面积，有利于离子的快速吸附和释放。2)优化的孔隙结构：分级的孔结构(微孔、介孔和大孔)可以增加材料的离子交换容量和电解质的渗透性。3)良好的电化学稳定性：在cdi等应用中，该材料展现出优异的电化学稳定性和长期循环稳定性。技术特征：1.一种基于废弃棉的多孔碳纤维材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：2.根据权利要求1所述的一种基于废弃棉的多孔碳纤维材料的制备方法，其特征在于，所述清洗方式包括利用离子水洗、乙醇和丙酮中的一种或几种清洗。3.根据权利要求1所述的一种基于废弃棉的多孔碳纤维材料的制备方法，其特征在于，所述纯化处理包括碱处理和酸处理，所述碱包括naoh和/或koh；所述酸包括h2so4和/或hcl。4.根据权利要求1所述的一种基于废弃棉的多孔碳纤维材料的制备方法，其特征在于，所述惰性气体包括n2和/或ar。5.根据权利要求1所述的一种基于废弃棉的多孔碳纤维材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中控制升温速率为2-10℃/min；所述碳化时间为3-5h。6.根据权利要求1所述的一种基于废弃棉的多孔碳纤维材料的制备方法，其特征在于，所述活化剂包括h3po4、碱式碳酸锌、尿素、koh中的一种或几种。7.根据权利要求1所述的一种基于废弃棉的多孔碳纤维材料的制备方法，其特征在于，所述活化剂与碳化处理后的碳纤维质量比为(1-5)：1。8.根据权利要求1所述的一种基于废弃棉的多孔碳纤维材料的制备方法，其特征在于，所述多孔碳纳米纤维与n,n-二甲基甲酰胺的用量比值为(40-60)mg：60ml。9.根据权利要求1所述的一种基于废弃棉的多孔碳纤维材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中控制升温速率为4-6℃/min；所述处理时间为1-3h。10.一种如权利要求1-9中任一项所述的基于废弃棉的多孔碳纤维材料应用于电容去离子技术中。技术总结本发明提供一种基于废弃棉的多孔碳纤维材料的制备方法及应用，步骤包括：废弃棉的预处理：对收集到的废弃棉纺织品进行清洗和纯化处理；碳化处理：将经过预处理的棉纤维进行烘干，进行缓慢碳化，随后水洗烘干；活化和多孔化处理：将碳化后的棉纤维与活化剂混合，在700‑1100℃、惰性气体氛围条件下进行处理；功能化处理：将多孔碳纳米纤维与N,N‑二甲基甲酰胺混合，在170‑190℃下反应14‑15h后冷却至室温，清洗后干燥；随后浸入浓硝酸溶液中，并在80‑100℃保持4‑5h，洗涤后即得。本发明所制备得到的分级多孔碳纤维材料，具有高比表面积，有利于离子的快速吸附和释放。技术研发人员：吴娟,倪颖,孙卉,汪睿,叶泗洪,邓小楠,完玲中受保护的技术使用者：安徽省农业科学院棉花研究所技术研发日：技术公布日：2024/8/15