CN107081129A - 一种生物炭及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物炭及其制备方法与应用，生物炭以南美蟛蜞菊为原料进行制备，制备方法为：将南美蟛蜞菊清洗干净、烘干并粉碎；将南美蟛蜞菊粉末置于氮气中，南美蟛蜞菊粉末活化的温度为400～700℃，活化的时间为0.5～10h；冷却，得到生物炭初品；将生物炭初品粉碎，得到生物炭；生物炭降低废水中镉的操作方法为：废水中镉浓度为10～550mg/L，废水pH值为2～8，生物炭投加量为0.5～1.5mg/mL，吸附时间为5min～24h，温度为25℃，振荡速率为250rpm。本发明生物炭以南美蟛蜞菊为原料进行制备，不仅能吸附废水中重金属，还能清除南美蟛蜞菊带来的入侵危害；同时南美蟛蜞菊生物炭吸附镉的能力较强。

Description

一种生物炭及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，尤其涉及一种生物炭及其制备方法与应用。
背景技术
镉是一种溶解性较高、毒性较强的重金属，镉可在生物体内富集，通过食物链进入人体引起慢性中毒，贫血、骨质疏松和肾损坏等一系列疾病。然而，镉是工农业使用的原料，被广泛用于电镀、合金、杀虫剂和电池制造等行业，其以“三废”形式进入环境，从而导致镉污染严重超标。因此，环境中的镉污染问题亟待解决。
生物炭是一种环境友好型材料，由于具有比表面积大和微孔结构等特性，其能显著地吸附水体中重金属；同时，生物炭的制备方法相对简单，价格便宜。因此，可将生物炭用于吸附废水中的重金属镉。
南美蟛蜞菊被列为世界上危害最严重的100种外来入侵生物之一，在19世纪70年代，南美蟛蜞菊作为一种绿地植物被许多国家(包括中国)大规模的引入，但最终爆发成灾，尤其在我国华南地区蔓延扩散。南美蟛蜞菊的生态适应性强、生长速度快、植株生产力高，入侵后极易形成单优植物群落并成片生长，对当地的生物多样性造成极大威胁。但目前尚未报道：以南美蟛蜞菊为原料制备生物炭来治理废水，达到双赢的效果。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种生物炭及其制备方法与应用，该生物炭以南美蟛蜞菊为原料进行制备，不仅能吸附废水中重金属，还能清除南美蟛蜞菊带来的入侵危害。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：南美蟛蜞菊在制备生物炭中的应用。
另外，本发明还提供一种生物炭的制备方法，包括以下步骤：
1a)将南美蟛蜞菊清洗干净、烘干并粉碎至粒径小于0.15mm，得到南美蟛蜞菊粉末；
1b)将步骤1a)中南美蟛蜞菊粉末置于氮气中，南美蟛蜞菊粉末活化的温度为400～700℃，活化的时间为0.5～10h；冷却至室温，即得到生物炭初品；
1c)将步骤1b)中所述生物炭初品粉碎，即得到生物炭，所述生物炭的粒径小于0.15mm。本发明制备的南美蟛蜞菊生物炭粒径小、比表面积更大、微孔结构更突出。
作为上述技术方案的改进，所述步骤1a)中烘干的温度为105℃。
作为上述技术方案的改进，所述步骤1b)中活化的温度为500℃，活化的时间为4h。
另外，本发明还提供一种生物炭，所述生物炭采用所述的方法制备所得。
另外，本发明还提供所述的生物炭在降低废水中重金属含量中的应用。
作为上述技术方案的改进，所述重金属为镉。
作为上述技术方案进一步地改进，所述的生物炭在降低废水中镉含量中的应用为：含镉废水在投加生物炭之前，废水中镉浓度控制在10～550mg/L，废水pH值控制在2～8；生物炭投加量为0.5～1.5mg/mL。
作为上述技术方案更进一步地改进，所述的生物炭在降低废水中镉含量中的应用为：含镉废水中投加生物炭之后，吸附时间为5min～24h，温度为25℃，振荡速率为250rpm。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种生物炭及其制备方法与应用，本发明的生物炭以南美蟛蜞菊为原料进行制备，既能消除南美蟛蜞菊带来的入侵危害，又能用生物炭吸附废水中重金属，如重金属镉；本发明制备的生物炭粒径小、比表面积更大、微孔结构更突出，即使废水中投加少量的南美蟛蜞菊生物炭，其对重金属镉的吸附量和吸附率也能取得较优效果。
附图说明
图1为本发明实施例1～3所述生物炭的工艺流程图；
图2为本发明实施例1～3所述生物炭的SEM形貌图；
图3为本发明实施例1～3所述生物炭的FTIR光谱图。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例、附表和附图对本发明作进一步说明。
实施例1
一种本发明所述南美蟛蜞菊生物炭的制备方法，包括以下步骤：
1a)采集南美蟛蜞菊，将所采集的南美蟛蜞菊冲洗干净、105℃烘干并粉碎至粒径小于0.15mm；
1b)将步骤1a)中南美蟛蜞菊粉末放置在管式电阻炉中进行活化，设置温度为500℃，在氮气保护环境下活化时间4h；待冷却至室温后取出，即可得到南美蟛蜞菊生物炭初品；
1c)将步骤1b)中所述生物炭初品粉碎至粒径小于0.15mm，即得到南美蟛蜞菊生物炭(如图1所示)。
实施例2
一种本发明所述南美蟛蜞菊生物炭的制备方法，包括以下步骤：
1a)采集南美蟛蜞菊，将所采集的南美蟛蜞菊冲洗干净、105℃烘干并粉碎至粒径小于0.15mm；
1b)将步骤1a)中南美蟛蜞菊粉末放置在管式电阻炉中进行活化，设置温度为400℃，在氮气保护环境下活化时间0.5h；待冷却至室温后取出，即可得到南美蟛蜞菊生物炭初品；
1c)将步骤1b)中所述生物炭初品粉碎至粒径小于0.15mm，即得到南美蟛蜞菊生物炭。
实施例3
一种本发明所述南美蟛蜞菊生物炭的制备方法，包括以下步骤：
1a)采集南美蟛蜞菊，将所采集的南美蟛蜞菊冲洗干净、105℃烘干并粉碎至粒径小于0.15mm；
1b)将步骤1a)中南美蟛蜞菊粉末放置在管式电阻炉中进行活化，设置温度为700℃，在氮气保护环境下活化时间24h；待冷却至室温后取出，即可得到南美蟛蜞菊生物炭初品；
1c)将步骤1b)中所述生物炭初品粉碎至粒径小于0.15mm，即得到南美蟛蜞菊生物炭。
对实施例1～3中南美蟛蜞菊生物炭进行形貌分析(扫描电子显微镜)，南美蟛蜞菊生物炭的形貌结构如图2所示，可以看出南美蟛蜞菊生物炭表面具有多孔和管束结构；对实施例1～3中南美蟛蜞菊生物炭进行红外光谱分析，如图3所示，可以看出南美蟛蜞菊生物炭表面有丰富的官能团：-OH(3448.6cm-1)、脂肪族-CH2伸缩振动(2889.2cm-1)、C＝C的伸缩振动(2364.6cm-1)、芳香环上的C-C和CO3 2-(1421.5～1460.1cm-1)和纤维素、半纤维素、木质素上连接的-OH(1047.3cm-1)。
实施例4
一种本发明所述南美蟛蜞菊生物炭在降低废水中镉含量的应用，本实施例中南美蟛蜞菊以实施例1的制备方法进行制备，本实施例的南美蟛蜞菊生物炭在降低废水中镉含量的应用如下：含镉废水在投加生物炭之前，废水中镉浓度为50mg/L，废水的pH值为6；20mL含镉废水中投加10mg南美蟛蜞菊生物炭；在25℃下振荡5min，振荡速率为250rpm；反应结束后，去上清液、过滤，按一定倍数稀释后，用火焰原子分光光度计测定吸附后金属镉的浓度。
实施例5
一种本发明所述南美蟛蜞菊生物炭在降低废水中镉含量的应用，同实施例4，区别之处在于：南美蟛蜞菊生物炭吸附镉的时间为2h。
实施例6
一种本发明所述南美蟛蜞菊生物炭在降低废水中镉含量的应用，同实施例4，区别之处在于：南美蟛蜞菊生物炭吸附镉的时间为24h。
实施例7
一种本发明所述南美蟛蜞菊生物炭在降低废水中镉含量的应用，同实施例4，区别之处在于：20mL含镉废水中投加20mg南美蟛蜞菊生物炭。
实施例8
一种本发明所述南美蟛蜞菊生物炭在降低废水中镉含量的应用，同实施例7，区别之处在于：南美蟛蜞菊生物炭吸附镉的时间为2h。
实施例9
一种本发明所述南美蟛蜞菊生物炭在降低废水中镉含量的应用，同实施例7，区别之处在于：南美蟛蜞菊生物炭吸附镉的时间为24h。
实施例10
一种本发明所述南美蟛蜞菊生物炭在降低废水中镉含量的应用，同实施例4，区别之处在于：20mL含镉废水中投加30mg南美蟛蜞菊生物炭。
实施例11
一种本发明所述南美蟛蜞菊生物炭在降低废水中镉含量的应用，同实施例10，区别之处在于：南美蟛蜞菊生物炭吸附镉的时间为2h。
实施例12
一种本发明所述南美蟛蜞菊生物炭在降低废水中镉含量的应用，同实施例10，区别之处在于：南美蟛蜞菊生物炭吸附镉的时间为24h。
实施例13
一种本发明所述南美蟛蜞菊生物炭在降低废水中镉含量的应用，同实施例12，区别之处在于：废水的pH值为2。
实施例14
一种本发明所述南美蟛蜞菊生物炭在降低废水中镉含量的应用，同实施例12，区别之处在于：废水的pH值为7。
实施例15
一种本发明所述南美蟛蜞菊生物炭在降低废水中镉含量的应用，同实施例12，区别之处在于：废水的pH值为8。
实施例16
一种本发明所述南美蟛蜞菊生物炭在降低废水中镉含量的应用，同实施例12，区别之处在于：废水中镉浓度为10mg/L。
实施例17
一种本发明所述南美蟛蜞菊生物炭在降低废水中镉含量的应用，同实施例12，区别之处在于：废水中镉浓度为200mg/L。
实施例18
一种本发明所述南美蟛蜞菊生物炭在降低废水中镉含量的应用，同实施例12，区别之处在于：废水中镉浓度为550mg/L。
表1
如表1所示，表1列出实施例4～18中南美蟛蜞菊生物炭在降低废水中镉含量的应用，以及南美蟛蜞菊生物炭的吸附容量、吸附率。本发明的南美蟛蜞菊生物炭吸附量可达到120.66mg/g(最大值为123.5mg/g，表1中未列出)，吸附率可达到为99.64％；由于本发明的南美蟛蜞菊生物炭比表面积更大、微孔结构更突出，生物炭吸附重金属镉的能力相对比较良好；同时，本发明生物炭投加的量为0.5～1.5mg/mL明显较低。
从表1中可以看出，本发明南美蟛蜞菊生物炭吸附重金属镉的能力与生物炭投加量、废水中镉浓度、废水pH值和吸附时间密切相关。参考实施例4～6(或实施例7～9或实施例10～12)，反应时间控制在2h内即可；参考实施例13～18，废水的pH值控制在6～8即可；参考实施例15～18，废水中镉浓度控制在50mg/L左右即可；参考实施例4～18，生物炭投加量控制在1.0mg/mL即可(备注，结合吸附容量和吸附率来参考)。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.南美蟛蜞菊在制备生物炭中的应用。
2.一种生物炭的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1a)将南美蟛蜞菊清洗干净、烘干并粉碎至粒径小于0.15mm，得到南美蟛蜞菊粉末；
1b)将步骤1a)中南美蟛蜞菊粉末置于氮气中，南美蟛蜞菊粉末活化的温度为400～700℃，活化的时间为0.5～10h；冷却至室温，即得到生物炭初品；
1c)将步骤1b)中所述生物炭初品粉碎，即得到生物炭，所述生物炭的粒径小于0.15mm。
3.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1a)中烘干的温度为105℃。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1b)中活化的温度为500℃，活化的时间为4h。
5.一种生物炭，其特征在于：所述生物炭采用如权利要求2～4任一项所述的方法制备所得。
6.如权利要求5所述的生物炭在降低废水中重金属含量中的应用。
7.如权利要求6所述的应用，其特征在于：所述重金属为镉。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于：含镉废水在投加生物炭之前，废水中镉浓度控制在10～550mg/L，废水pH值控制在2～8；生物炭投加量为0.5～1.5mg/mL。
9.如权利要求8所述的应用，其特征在于：含镉废水中投加生物炭之后，吸附时间为5min～24h，温度为25℃，振荡速率为250rpm。
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