CN101234331A - 一种生物碳质吸附剂的制备和使用方法 - Google Patents

一种生物碳质吸附剂的制备和使用方法 Download PDF

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周丹丹
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Abstract

本发明公开了一种生物碳质吸附剂的制备和使用方法。制备方法：1)将废弃的生物质，风干后粉碎过筛，得到40－200目粉末生物质；2)将粉末生物质置于反应器，于300－400℃温度和限制氧气条件下，炭化0.5－8小时，制得生物碳质吸附剂。使用方法：1)生物碳质吸附剂投加到有机废水中，吸附剂与有机废水的质量体积比为1∶1000～1∶10000，经搅拌、沉淀，去除废水中难降解有机污染物，废水达标排放；2)滤干的沉淀物，于300－400℃和限制氧气条件下活化处理1－6小时，得到活化的生物碳质吸附剂，同时热分解被吸附的有机污染物；3)活化后的生物碳质吸附剂重复用于有机废水处理。本发明制备工艺简单、绿色、低成本，对极性和非极性有机废水都有很好的处理效果。

Description

一种生物碳质吸附剂的制备和使用方法
技术领域
本发明涉及水处理技术与应用，尤其涉及一种处理难降解有机废水的生物碳质吸附剂的制备和使用方法。
背景技术
我国水体有机微污染，如多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)、芳香硝基化合物、二噁英类化合物(PCDDs)等日趋严重，其中痕量的有机污染物常具高生物积累性、“三致”(致癌、致畸、致突变)效应；而且当前的水处理技术难以有效去除此类有机污染物，对饮用水安全和人群健康构成严重威胁。寻找经济高效、适合于饮用水处理的新型吸附已成为了环境科学与工程领域关注的焦点之一，其中涉及活性炭、有机黏土、三油酸甘油酯-活性炭复合吸附剂等。目前国内外主要采用活性炭吸附，活性碳对溶解性有机污染物具有很好的处理效果，但其吸附机理是表面吸附，吸附容量小，容易饱和，导致使用成本高；另外，活性炭的制备温度通常＞1000℃，同时回收再生利用难、成本高；活性炭用于在有机废水吸附处理中受水质影响大，如溶解性有机质堵塞活性炭表面后将大大降低其吸附容量和能力。有机膨润土吸附性能好、吸附容量大，在难降解有机废水处理中的应用引起了极大关注，已有相关的发明专利(发明专利号：ZL03116256.8)；但有机膨润土上的表面活性剂容易脱附，造成废水处理中COD难以达标排放。因此，开发新型高效、廉价、稳定、安全的有机废水处理剂具有重要意义。
最近研究表明，环境中普遍存在生物碳质如木炭、焦碳、烟炱等，且具有超强的吸附性能。生物碳质是由生物质或化石燃料不完全燃烧产生的。其中生物质包括农业生物质，如稻草、小麦秸、玉米秸、豆秸、油菜秸、棉花秸类植物秸秆。目前，我国每年产生6亿多吨农业秸秆，其中80％左右被废弃或燃烧，不仅浪费了大量能源，严重污染大气，危害人民群众健康，还会影响到航空和公路交通、通讯等公共安全，并由此引发火灾和其他事故，造成严重损失，许多地区废弃的秸秆已成为一种公害，亟待解决。
利用废弃生物质制成的吸附剂来处理有机废水，既解决了废弃生物质所造成环境生态问题，又变废为宝，用于处理难降解有机废水。该生物碳质吸附剂同时具有大容量的分配作用和强的表面吸附作用，其结构-吸附性能可调；在吸附处理难降解有机废水过程中不受水质影响；吸附剂回收再生利用工艺简单、成本低，回收得到的吸附剂的吸附性能不降低；适用于各种有机废水的处理，尤其适合于饮用水中微量持久性有机污染物的吸附处理。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物碳质吸附剂的制备和使用方法。
生物碳质吸附剂的制备方法包括如下步骤：
1)将废弃的生物质，风干后粉碎过筛，得到40-200目粉末生物质；
2)将粉末生物质置于反应器，于300-400℃温度和限制氧气条件下，炭化0.5-8小时，制得生物碳质吸附剂。
所述的废弃的生物质为水稻、小麦、玉米、油菜、棉花生物秸杆以及城镇生活垃圾中的废弃生物质。废弃生物质的粒度为50-150目。炭化温度为330-380℃。
生物碳质吸附剂的使用方法包括如下步骤：
1)生物碳质吸附剂投加到有机废水中，吸附剂与有机废水的质量体积比为1∶1000～1∶10000，经搅拌、沉淀，去除废水中难降解有机污染物，废水达标排放；
2)滤干的沉淀物，于300-400℃和限制氧气条件下活化处理1-6小时，得到活化的生物碳质吸附剂，同时热分解被吸附的有机污染物；
3)活化后的生物碳质吸附剂重复用于有机废水处理。
所述的有机废水中的难降解有机污染物为多环芳烃、芳香硝基类化合物、多氯联苯、多氯代二苯并二噁英/呋喃。生物碳质吸附剂的回收活化-重复使用的次数为5-10次。
本发明既解决了废弃生物质所造成环境生态问题，又变废为宝，用于处理难降解有机废水。与已有的技术相比，其优点在于吸附剂原材料来源丰富，方便易得，成本低廉，吸附剂制备流程简单，处理废水中微量难降解有机污染物的效果优于常规活性炭，同时吸附剂容易再生利用。
该生物碳质吸附剂使用农业废弃生物质在一定温度下限氧炭化制成，其表面含有丰富的极性和非极性官能团，具有很多微孔结构，可以通过调节炭化温度来控制表面性能，使适合极性或非极性以及高浓度或低浓度有机废水的吸附处理，该吸附剂特别适合于饮用水中微量有机污染物的吸附处理。生物碳质吸附剂可以重复利用或者再生利用。
具体实施方式
根据部分炭化生物质同时具有大容量的分配作用和超强的表面吸附作用，对持久性有机污染物具有很强的吸附能力的原理，因此，将废弃的生物质在一定温度下炭化制得生物碳质吸附剂，用于水中难降解有机废水的吸附处理；有机废水中的有机污染物为PAHs、芳香硝基类化合物、PCBs、PCDDs。
实施例1
将废弃的水稻秸杆，风干后粉碎过筛40目，得到40目水稻秸杆粉末。将水稻秸杆粉末置于反应器中，于300℃和限氧条件，炭化0.5小时，制得生物碳质吸附剂BCS-1。
实施例2
将废弃的油菜秸杆，风干后粉碎过筛100目，得到100目油菜秸杆粉末。油菜秸杆粉末置于反应器中，于300℃和限氧条件下，炭化3小时，制得生物碳质吸附剂BCS-2。
实施例3
将废弃的凋零的松针，风干后粉碎过筛200目，得到200目松针粉末。将松针粉末置于反应器中，于300℃和限氧条件下，炭化6小时，制得生物碳质吸附剂BCS-3。
实施例4
将废弃的水稻秸杆，风干后粉碎过筛100目，得到100目水稻秸杆粉末。将水稻秸杆粉末置于反应器中，于400℃和限氧条件，炭化6小时，制得生物碳质吸附剂BCS-4。
实施例5
将废弃的油菜秸杆，风干后粉碎过筛150目，得到150目油菜秸杆粉末。将油菜秸杆粉末置于反应器中，于400℃和限氧条件下，炭化6小时，制得生物碳质吸附剂BCS-5。
实施例6
将凋落松针，风干后经粉碎，过100目筛子，得到100目松针粉末，将松针粉末置于反应器中，于400℃温度和限氧条件下，炭化1.0小时；经冷却至室温后，取出，制得的生物碳质吸附剂BCS-6。
实施例7
取2.5mg生物碳质吸附剂(如BCS-1、BCS-2、BCS-3)与10mL的萘溶液(土水比约为1∶4000)加入10mL的样品瓶中，25℃下振荡24小时(吸附达到平衡)。萘的浓度范围：0.02-28μg/mL。实验测得萘的去除率95％。其中萘的最高吸附量可达37mg/g。当土水比为1∶1000时，去除率大于99％。
实施例8
取10mg生物碳质吸附剂(如BCS-4、BCS-5、BCS-6)与10mL的萘溶液(土水比约为1∶1000)加入10mL的样品瓶中，25℃下振荡24小时(吸附达到平衡)。萘的浓度范围：0.02-28μg/mL。实验测得萘的去除率大于95％。其中萘的最高吸附量可达15mg/g。
实施例9
取10mg生物碳质吸附剂(如BCS-4、BCS-5、BCS-6)与10mL的硝基苯溶液(土水比为1∶1000)加入10mL的样品瓶中，25℃下振荡24小时(吸附达到平衡)。硝基苯的浓度范围：0-1600μg/mL。实验测得硝基苯的去除率大于95％。其中硝基苯的最高吸附量可达180mg/g。
实施例10
取20 mg生物碳质吸附剂(如BCS-1、BCS-2、BCS-3)与10mL的硝基苯溶液(土水比为1∶1000)加入10mL的样品瓶中，25℃下振荡24小时(吸附达到平衡)。硝基苯的浓度范围：0-1600μg/mL。实验测得硝基苯的去除率大于95％。其中硝基苯的最高吸附量可达200mg/g。
实施例11
取废水处理后的吸附有PAHs的生物碳质吸附剂(如BCS-1～BCS-6)，经滤干后，于300℃和限制氧气条件下处理6小时，得到活化的生物碳质吸附剂，同时热分解被吸附的有机污染物；活化后的生物碳质吸附剂重新用于有机废水处理，效果不降低。
实施例12
取废水处理后的吸附有PAHs的生物碳质吸附剂(如BCS-1～BCS-6)，经滤干后，于400℃和限制氧气条件下活化处理3小时，得到活化的生物碳质吸附剂，同时热分解被吸附的有机污染物；活化后的生物碳质吸附剂重新用于有机废水处理，效果不降低。
实施例13
取废水处理后的吸附有PCBs的生物碳质吸附剂(如BCS-1～BCS-6)，经滤干后，于400℃和限制氧气条件下活化处理3小时，得到活化的生物碳质吸附剂，同时热分解被吸附的有机污染物；活化后的生物碳质吸附剂重新用于有机废水处理，效果不降低。
实施例14
取废水处理后的吸附有硝基类芳香化合物的生物碳质吸附剂(如BCS-1～BCS-6)，经滤干后，于400℃和限制氧气条件下活化处理3小时，得到活化的生物碳质吸附剂，同时热分解被吸附的有机污染物；活化后的生物碳质吸附剂重新用于有机废水处理，效果不降低。

Claims (7)

1.一种生物碳质吸附剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将废弃的生物质，风干后粉碎过筛，得到40-200目粉末生物质；
2)各粉末生物质置于反应器，于300-400℃温度和限制氧气条件下，炭化0.5-8小时，制得生物碳质吸附剂。
2.根据权利要求1所述的一种生物碳质吸附剂的制备方法，其特征在于所述的废弃的生物质为水稻、小麦、玉米、油菜、棉花生物秸杆以及城镇生活垃圾中的废弃生物质。
3.根据权利要求1所述的一种生物碳质吸附剂的制备方法，其特征在于所述的废弃生物质的粒度为50-150目。
4.根据权利要求1所述的一种生物碳质吸附剂的制备方法，其特征在于所述的炭化温度为330-380℃。
5.一种如权利要求1所述方法制备的生物碳质吸附剂的使用方法，其特征在于：
1)生物碳质吸附剂投加到有机废水中，吸附剂与有机废水的质量体积比为1∶1000～1∶10000，经搅拌、沉淀，去除废水中难降解有机污染物，废水达标排放；
2)滤干的沉淀物，于300-400℃和限制氧气条件下活化处理1-6小时，得到活化的生物碳质吸附剂，同时热分解被吸附的有机污染物；
3)活化后的生物碳质吸附剂重复用于有机废水处理。
6.根据权利要求5所述的一种生物碳质吸附剂的使用方法，其特征在于所述的有机废水中的难降解有机污染物为多环芳烃、芳香硝基类化合物、多氯联苯、多氯代二苯并二噁英/呋喃。
7.根据权利要求5所述的一种生物碳质吸附剂的使用方法，其特征在于所述的生物碳质吸附剂的回收活化-重复使用的次数为5-10次。
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