CN105688835A - 一种去除溶液中氨氮的吸附材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种去除溶液中氨氮的吸附材料，原料为棉花杆，所述棉花杆在290℃-350℃下缺氧烧制1-3小时，得去除溶液中氨氮的吸附材料。本发明还提供了一种高效去除溶液中氨氮的吸附材料的制作方法，使用该方法制作的生物炭吸附剂，可以高效去除溶液中的氨氮，吸附量可达到209.4mg/g左右，经过改性后的吸附剂，氨氮吸附量可以达到518.9mg/g左右。

Description

一种去除溶液中氨氮的吸附材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种去除溶液中氨氮的吸附材料及其制备方法，属于水污染治理技术领域。
背景技术
随着地球水资源日趋紧缺，人们越来越重视水环境的保护和污(雨)水资源的再生回用。一方面，目前国内很多天然水体污染严重，富营养化导致水体退化为VI类或劣VI类，水体修复是目前急需解决的一个问题；另一方面，城市的污水处理厂处理工艺多为二级处理，其出水一般可达到《污水综合排放标准》I级B标，随着国家对环保保护力度的加大，污水厂出水水质要求提高到I级A标，因此在污水厂内需要增加污水的深度处理工艺。再次，雨水作为一种淡水资源，雨水的回收利用也是一种节约淡水资源最快最高效的方法，雨水的处理需要简便、高效、节能的处理方法。吸附法作为一种水处理的深度处理工艺，已经普遍得到应用。影响吸附法处理效果的一个重要因素就是使用的吸附材料。离子交换吸附法主要处理低浓度无机氨氮废水，常用的吸附剂有：沸石、活性炭、煤渣、氧化铝、硅胶、硅藻土、高岭土、麦饭石和离子交换树脂。而现有的吸附材料中沸石对氨氮的吸附效果最好，但由于很多污水中含有共存阳离子如Ca2+，会使沸石的交换能力呈不可逆性降低。活性炭和活性炭纤维主要吸附水中氨分子形式的氮，无选择性，吸附容量有限，所以脱氮效率很低。煤质吸附剂吸附效果好，但价格昂贵，再生困难。吸附材料的吸附容量、吸附速度等决定了吸附法的效果。但这些材料要么价格高昂，要么吸附效率不高，因此亟待开发针对性、适用强的吸附剂，以满足社会及市场需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供了一种去除溶液中氨氮的吸附材料及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
一种去除溶液中氨氮的吸附材料，其特征在于：原料为棉花杆，所述棉花杆在290℃-350℃(优选300℃)下缺氧烧制1-3(优选2)小时，得去除溶液中氨氮的吸附材料。
棉花杆原材料在缺氧或少氧的条件下高温处理，会发生裂解，生物质中的油、气烧掉后余下的高度芳香难溶性固体物质，是一种含碳量极高的木炭。在微观上，具有类似于石墨的正六边形排列的结构；在宏观上没有晶体结构，但其具有巨大的比表面积而且有很多孔隙结构。表面生成大量羟基、烯键和芳香族结构物质，从而形成了孔隙发达的多孔结构生物炭吸附剂。
在上述方案中优选的是，所述棉花杆的经1.0mol/L的碱溶液改性。
在上述任一方案中优选的是，所述碱为NaOH或KOH。
棉花杆经过1.0mol/LNaOH或1.0mol/LKOH改性后，在一定程度上提高了生物炭的比表面积和总孔体积，表面的羟基和烯键也有所增加。
在上述任一方案中优选的是，所述棉花杆与碱溶液按照固液比1g:2.0mL-1g:3.0ml(优选1g:2.5mL)加入所述碱溶液中，浸泡1-3(优选2)小时后，置于100℃-110℃(优选105℃)烘干。
在上述任一方案中优选的是，缺氧烧制后的产物经研磨后过16～20目筛取截留物，然后用水冲至pH值恒定，于100℃-110℃(优选105℃)烘干备用。
本发明还提供所述去除溶液中氨氮的吸附材料的制备方法，将所述棉花杆在290℃-350℃(优选300℃)下缺氧烧制1-3(优选2)小时，得去除溶液中氨氮的吸附材料。
在上述任一方案中优选的是，所述制备方法还包括原料的改性。
在上述任一方案中优选的是，所述改性方法为：所述棉花杆与碱溶液按照固液比1g:2.0mL-1g:3.0ml(优选1g:2.5mL)加入所述碱溶液中，浸泡1-3(优选2)小时后，置于100℃-110℃(优选105℃)烘干。
在上述任一方案中优选的是，所述碱溶液为1.0mol/L的NaOH或KOH溶液。
在上述任一方案中优选的是，缺氧烧制后的产物经研磨后过16～20目筛取截留物，然后用水冲至pH值恒定，于100℃-110℃(优选105℃)烘干备用。
本发明的吸附材料和改性后的吸附材料，这两种吸附剂制造过程中的产率为39.95％左右，吸附剂比表面积及孔径见下表：
表1：吸附剂比表面积及孔径
吸附剂 比表面积(m2/g) 总孔面积(cm2/g) 平均孔孔径(nm)
棉花杆生物炭 108.59 0.270 9.94
改性棉花杆生物炭 121.69 0.292 9.60
本发明的有益效果：本发明提供了一种高效去除溶液中氨氮的吸附材料及其制作方法，使用该方法制作的生物炭吸附剂，可以高效去除溶液中的氨氮，吸附量可达到209.4mg/g左右，经过改性后的吸附剂，氨氮吸附量可以达到518.9mg/g左右。
生物炭是一种结构相对稳定的固体，且具有丰富的原料资源和较强的吸附性能，从废弃物资源化利用的角度出发，与目前常用的吸附剂相比，本发明具有如下显著特点：
1、吸附剂原材料来源广，且价格便宜。棉花杆作为一种农业废弃物，在我国广大农村地区具有大量的棉花杆可以利用，且基本不需要钱或只需要很少的价格来购买，实现了资源的再利用，保护了环境，又提高了其经济效应。以废治污，应用前景好；
2、吸附剂制造方法简单。吸附剂1只需要在缺氧条件下，将原材料高温烧制即可；吸附剂2也只需要将原材料使用NaOH或KOH溶液浸泡后，再进行缺氧高温烧制即可，原材料简单不需要进行额外的配比，也不需要加入表面活性剂或表面催化剂；
3、吸附剂吸附容量高。吸附剂1吸附容量可达209.4mg/g左右，吸附剂2吸附容量达到了518.9mg/g左右；
4、吸附速度快。吸附剂可在5小时内将污水中的氨氮吸附去除，去除效率高；
5、吸附后的吸附剂可进行再利用。吸附了氨氮后的吸附剂，可当作肥料用于土壤改良，吸附在吸附剂上的氨氮在土壤中可以缓慢释放出来，为农作物生长提供氮肥来源；
6、与专利CN201310266746的原料都为生物质废物，但本申请中不需要添加助燃剂和表面活性剂，在吸附剂的制作过程中也不需要和其他材料严格的配比。本申请制作工艺简单，氨氮吸附量是现有吸附材料的几十倍。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一种去除溶液中氨氮的吸附材料：原料为棉花杆，所述棉花杆在300℃下缺氧烧制2小时，缺氧烧制后的产物经研磨后过16～20目筛取截留物，然后用水冲至pH值恒定，于105℃烘干备用，得去除溶液中氨氮的吸附材料。
实施例2：
一种去除溶液中氨氮的吸附材料：原料为棉花杆，所述棉花杆的经1.0mol/L的NaOH或KOH溶液改性。所述改性方法为：所述棉花杆与碱溶液按照固液比1g:2.5mL加入所述碱溶液中，浸泡2小时后，置于105℃烘干。
改性后的棉花杆在300℃下缺氧烧制2小时，缺氧烧制后的产物经研磨后过16～20目筛取截留物，然后用水冲至pH值恒定，于105℃烘干备用，得去除溶液中氨氮的吸附材料。
实施例3：
一种去除溶液中氨氮的吸附材料原料为棉花杆，所述棉花杆在290℃下缺氧烧制1小时，缺氧烧制后的产物经研磨后过16～20目筛取截留物，然后用水冲至pH值恒定，于100℃烘干备用，得去除溶液中氨氮的吸附材料。
实施例4：
一种去除溶液中氨氮的吸附材料：原料为棉花杆，所述棉花杆的经1.0mol/L的NaOH或KOH溶液改性。所述改性方法为：所述棉花杆与碱溶液按照固液比1g:2.0mL加入所述碱溶液中，浸泡2小时后，置于100℃烘干。
改性后的棉花杆在290℃下缺氧烧制1小时，缺氧烧制后的产物经研磨后过16～20目筛取截留物，然后用水冲至pH值恒定，于100℃烘干备用，得去除溶液中氨氮的吸附材料。
实施例5：
一种去除溶液中氨氮的吸附材料：原料为棉花杆，所述棉花杆在310℃下缺氧烧制3小时，缺氧烧制后的产物经研磨后过16～20目筛取截留物，然后用水冲至pH值恒定，于110℃烘干备用，得去除溶液中氨氮的吸附材料。
实施例6：
一种去除溶液中氨氮的吸附材料：原料为棉花杆，所述棉花杆的经1.0mol/L的NaOH或KOH溶液改性。所述改性方法为：所述棉花杆与碱溶液按照固液比1g:3.0mL加入所述碱溶液中，浸泡3小时后，置于110℃烘干。
改性后的棉花杆在310℃下缺氧烧制3小时，缺氧烧制后的产物经研磨后过16～20目筛取截留物，然后用水冲至pH值恒定，于110℃烘干备用，得去除溶液中氨氮的吸附材料。
实验例1：吸附实验方法
吸附剂1(实施例1)的最佳吸附pH值为pH＝10.0左右，吸附剂2(实施例2)的最佳吸附pH值为pH＝7.0左右。
通过不同温度下的吸附情况表明，吸附剂吸附氨氮的过程为放热反应。
在氨氮初始浓度为50mg/l情况下，取50ml氨氮溶液，加入制备好的吸附剂(1或2)0.1g于50ml离心管中，在25℃下、120r/min的转速下振荡反应，于不同时间取样真空抽滤测定氨氮含量。吸附剂1在吸附2小时后基本达到吸附平衡，吸附剂2在吸附5小时后基本达到吸附平衡。
通过对不同初始浓度的氨氮溶液进行吸附试验，分别取50ml不同浓度的氨氮溶液，加入制备好的吸附剂(1或2)0.1g于50ml离心管中，在25℃下、120r/min的转速下振荡反应24h，取样真空抽滤测定氨氮含量。用Langmuir模型对实验结果进行拟合，其数学表达式如下：
q e = q m KC e 1 + KC e
式中：qe为平衡时单位吸附剂的吸附量(mg/g)；Ce为平衡时溶液浓度(mg/l)；qm为最大吸附量(mg/g)；K为Langmuir平衡常数。
吸附剂1实验结果见表2。吸附剂1在Langmuir模型下的最大吸附量为209.4mg/g左右；吸附剂2的实验结果见表3，吸附剂2的最大吸附量为518.9mg/g左右。利用Langmuir模型模拟得到的各参数如表4.
表2：棉花杆生物炭的吸附实验数据
表3：改性棉花杆生物炭的吸附实验数据
表4：Langmuir模型模拟参数
Langmuir模型参数 棉花杆生物炭 改性棉花杆生物炭
R2 0.872 0.84
Smax 209.4 518.90
k 0.003 0.005
本发明提供了两种高效去除溶液中氨氮的生物炭吸附剂——棉花杆生物炭与改性棉花杆生物炭，并提供了两种生物炭的制造方法与实验研究方法。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种去除溶液中氨氮的吸附材料，其特征在于：原料为棉花杆，所述棉花杆在290℃-350℃下缺氧烧制1-3小时，得去除溶液中氨氮的吸附材料。
2.根据权利要求1所述的吸附材料，其特征在于：所述棉花杆的经1.0mol/L的碱溶液改性。
3.根据权利要求2所述的吸附材料，其特征在于：所述碱为NaOH或KOH。
4.根据权利要求3所述的吸附材料，其特征在于：所述改性方法为：所述棉花杆与碱溶液按照固液比1g:2.0mL-1g:3.0ml加入所述碱溶液中，浸泡1-3小时后，置于100℃-110℃烘干。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的吸附材料，其特征在于：缺氧烧制后的产物经研磨后过16～20目筛取截留物，然后用水冲至pH值恒定，于100℃-110℃烘干备用。
6.权利要求1至5中任一项所述去除溶液中氨氮的吸附材料的制备方法，其特征在于：将所述棉花杆在290℃-350℃下缺氧烧制1-3小时，得去除溶液中氨氮的吸附材料。
7.权利要求6所述去除溶液中氨氮的吸附材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法还包括原料的改性。
8.权利要求7所述去除溶液中氨氮的吸附材料的制备方法，其特征在于：所述改性方法为：所述棉花杆与碱溶液按照固液比1g:2.0mL-1g:3.0ml加入所述碱溶液中，浸泡1-3小时后，置于100℃-110℃烘干。
9.权利要求8所述去除溶液中氨氮的吸附材料的制备方法，其特征在于：所述碱溶液为1.0mol/L的NaOH或KOH溶液。
10.权利要求6至9中任一项所述去除溶液中氨氮的吸附材料的制备方法，其特征在于：缺氧烧制后的产物经研磨后过16～20目筛取截留物，然后用水冲至pH值恒定，于100℃-110℃烘干备用。
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