CN108854983A - 秸秆生物炭凝胶球及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种秸秆生物炭凝胶球及其制备方法和应用，秸秆生物炭、氧化镁与海藻酸钠溶液混合均匀后，滴入氯化钙溶液反应形成凝胶球，所述的氧化镁添加比例为秸秆生物炭质量的1％～1.2％。本发明制备的吸附剂成本低廉，原材料易得到，吸附剂与废水分离简单快捷，吸附饱和后的吸附剂可以还田作为缓释肥提升土壤肥效。初始浓度氨氮为200mg/L、总磷为25mg/L时，粉末生物炭对氨氮的去除率不到40％，对磷基本上没有去除效果，并且随着投加量的增加，水样中磷含量反而会升高。而生物炭凝胶球在超声辅助下，对氨氮去除率可达59.6％，总磷去除率可达99.8％。

Description

秸秆生物炭凝胶球及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种利用农业废弃物热解制备的生物炭凝胶球去除水中氮磷的方法，属于环保领域中的水污染处理技术。
背景技术
养殖废水经过厌氧发酵后产生的沼液，其中氮、磷等营养物含量较高，若直接排放会造成环境严重污染，若环保达标处理则会费用高昂，若直接利用则需大量消纳面积。尽管目前沼液的处置方式有低成本的还田利用、自然生态净化、高成本的工厂化处理、高附加值的开发性处理等，但理想方式是将低耗处理与附加利用相结合，寻求低成本回收有用成分的同时，减轻沼液的后续处理工艺压力。
生物吸附法作为一种污水处理技术，应用于环境治理方面，由于其具有原料来源丰富、品种多、成本低、在低浓度下处理效果好、吸附容量大、速度快、选择性好、吸附设备简单、易操作、产品易降解等特点，在农村污水的处理方面具有广阔的应用前景。目前农村水稻秸秆的产量大，尚未得到合理的处理，利用水稻秸秆制作生物炭对农村养殖废水进行深度处理，既解决了环境问题，同时富集营养元素的生物炭还可用于改善土壤肥力，提高作物产量，集无害化处理与资源化利用为一体。
研究表明，粉末生物炭有很高的比表面积和较高的吸附能力，其对有机污染物、重金属、氮磷等广泛存在于养殖废水中的典型污染物具备良好的吸附效果。孙丽丽，李文英，李夏等.固废生物炭净化处理猪场废水研究初探[J].中国农学通报,2015，31(23):122-126.等研究发现采用玉米秸秆、松球、开心果皮、棕榈皮等4种材料制取的生物炭对猪场废水中的氨氮吸附效果明显，但对TP去除效果不明显。谢淘生物炭的特性分析及其在黄水资源化中的应用[D].清华大学,2015.研究发现通过生物炭和镁盐联合投加，可以对黄水中氮磷进行回收，其作用机理是生物炭表面带负电、呈极性，具有羧基、磺酸基等官能团，容易将NH4+离子固定，而通过镁盐的投加，生物炭表面发生化学反应，形成了一些晶体沉淀物，包括磷酸镁、磷酸氨镁、磷酸钾镁以及磷酸钙，各种过程相互耦合，从而实现了黄水中氮磷的综合回收；但通过将粉末生物炭和氧化镁直接积压填充到吸附柱中，对氨氮回收效果较好，磷的回收效率并不高。因为粉末生物炭由于它的渗透系数较低，不适合做成吸附柱，另外在柱或反应器中填装生物炭粉末会随着液体的浸透，空间阻滞会增加。因此，受分散、再生成本和反应器堵塞等原因，生物炭在工程上的大规模应用受到限制。而且，粉状吸附剂不能通过离心或过滤来回收和重复使用，这会造成巨大的浪费从而引发新的环境问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种秸秆生物炭凝胶球及其制备方法和应用，成本低廉、工艺简单，吸附剂与废水分离回收简单，通过还田处置还可以增加土壤肥效。
为实现上述目的，本发明所采用技术方案如下：一种秸秆生物炭凝胶球，秸秆生物炭、氧化镁与海藻酸钠溶液混合均匀后，滴入氯化钙溶液反应形成凝胶球，所述的氧化镁添加比例为秸秆生物炭质量的1％～1.2％。
制备所述的秸秆生物炭凝胶球的方法，秸秆生物炭、氧化镁与海藻酸钠溶液混合均匀后，滴入氯化钙溶液反应形成凝胶球，所述的氧化镁添加比例为秸秆生物炭质量的1％～1.2％。
秸秆生物炭和海藻酸钠溶液按照1:10～15g/mL的固液比混合。
所述的海藻酸钠溶液的质量百分比浓度为2％～5％。
所述的氯化钙溶液的质量百分比浓度为5％～6％。
滴入氯化钙溶液后静置成型后洗涤、风干，制得秸秆生物炭凝胶球。
所述的秸秆生物炭为水稻秸秆经破碎、水洗烘干后，放入马弗炉缺氧条件下，热解、冷却后研磨得到。
所述的秸秆生物炭凝胶球在去除养殖废水厌氧沼液中氮磷工艺中的应用，适用于pH值为6～10.5的含氮磷的废水，常温反应。
所述的含氮磷废水调节pH至9，再向废水中投加生物炭凝胶球，可达到最佳效果。
所述的含氮磷废水，在超声辅助下进行，可提高生物炭凝胶球对含氮磷废水的去除效果。
有益效果：
①本发明吸附剂制备所需要的原材料价格低廉，来源广泛；
②因为在秸秆生物炭中特别添加了氧化镁，制备成为凝胶球后不仅对养殖废水厌氧沼液中的氮去除率高还同时能够很好的去除磷；
③本吸附剂吸附周期短，易与水分离，适用于多种废水的脱氮除磷处理，吸附饱和后的吸附剂可以还田作为缓释肥提升土壤肥效，有广泛的应用前景。
④初始浓度氨氮为200mg/L、总磷为25mg/L时，粉末生物炭对氨氮的去除率不到40％，对磷基本上没有去除效果，并且随着投加量的增加，水样中磷含量反而会升高。而生物炭凝胶球在超声辅助下，对氨氮去除率可达59.6％，总磷去除率可达99.8％。
附图说明
图1为粉末生物炭对水中氮磷的吸附去除效率。
图2为粉末生物炭+氧化镁(AC+MgO)与添加了氧化镁的生物炭凝胶球(MP-AC-MgO)对水中氮磷的吸附去除率。
图3为未添加氧化镁的生物炭凝胶球(MP-AC)与添加了氧化镁的生物炭凝胶球(MP-AC-MgO)对水中氮磷的吸附去除率。
图4为不同pH下生物炭凝胶球对水中氮磷的吸附去除效率。
图5为生物炭凝胶球对废水中不同浓度氮磷的吸附去除效率。
图6为粉末生物炭表面SEM照片。
图7为吸附后的粉末生物炭SEM照片。
图8为生物炭凝胶球SEM照片。
图9为吸附后的生物炭凝胶球SEM照片。
具体实施方式
下面详细说明本发明的具体实施，有必要在此指出的是，以下说明只是用于本发明的进一步说明，不能理解为对发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。
生物炭为水稻秸秆，经破碎、水洗、70℃烘干后，放入马弗炉缺氧条件下，500℃热解4h，冷却后研磨过100目筛得到。
实施例1
分别称取0.05、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5g的粉末生物炭加入50mL氨氮浓度为200mg/L、总磷浓度为25mg/L的模拟废水中，具塞后置于25℃下振荡(150r·min-1)24h，离心(4000r·min-1)10min后，取上清液经0.45μm滤膜过滤后，测滤液中氨氮和总磷浓度，每个处理设置3个重复。结果如图1所示，随着生物炭投加量的增大，对氨氮的去除率也逐渐升高；对总磷基本上没有去除效果，而且，当投加量大于0.05g时，随着生物炭投加量的增大，反而出现滤液中总磷浓度升高的现象。
实施例2
分别称取4g生物炭+0.05g氧化镁(AC+MgO)和由4g生物炭+0.05g氧化镁制得的生物炭凝胶球(MP-AC-MgO)各1份，加入50mL氨氮浓度为200mg/L、总磷浓度为25mg/L的模拟废水中，具塞后置于25℃下振荡(150r·min-1)24h，离心(4000r·min-1)10min后，取上清液经0.45μm滤膜过滤后，测滤液中氨氮和总磷浓度。同时再分别称取4g生物炭+0.05g氧化镁(AC+MgO)和由4g生物炭+0.05g氧化镁制得的生物炭凝胶球(MP-AC-MgO)各1份，加入50mL氨氮浓度为200mg/L、总磷浓度为25mg/L的模拟废水中，具塞后置于25℃下振荡(150r·min-1)24h，超声10min，离心(4000r·min-1)10min后，取上清液经0.45μm滤膜过滤后，测滤液中氨氮和总磷浓度。每个处理设置3个重复。结果如图2所示，结果表明：在未超声条件下，AC+MgO对氮磷的去除率都比MP-AC-MgO的略高；但在增加了超声的条件下，AC+MgO对氮磷的去除率反而会比没有超声的情况下降低，而MP-AC-MgO对氮磷的去除率却得到了提高，都相应比未加超声下AC+MgO对氮磷的去除率高，特别是对氨氮的去除率可达51.5％。
实施例3
分别称取未添加氧化镁的生物炭凝胶球(MP-AC)与添加了氧化镁的生物炭凝胶球(MP-AC-MgO)各1g加入50mL氨氮浓度为200mg/L、总磷浓度为25mg/L的模拟废水中，具塞后置于25℃下振荡(150r·min-1)24h，超声10min，离心(4000r·min-1)10min后，取上清液经0.45μm滤膜过滤后，测滤液中氨氮和总磷浓度，每个处理设置3个重复。结果如图3所示，结果表明通过在生物炭凝胶球中添加氧化镁可明显提高其对氮磷的去除效果。
实施例4
称取4g的生物炭凝胶球加入50mL氨氮浓度为200mg/L、总磷浓度为25mg/L的模拟废水中，并用0.1mol/LHCl或NaOH调节pH为6、8、9、9.5、10和10.5，具塞后置于25℃下振荡(150r·min-1)24h，超声10min，离心(4000r·min-1)10min后，取上清液经0.45μm滤膜过滤后，测滤液中氨氮和总磷浓度，每个处理设置3个重复。结果如图4所示，在pH6～10.5范围内，生物炭凝胶球对氮磷的吸附量随pH的增加先增加后降低，在pH9时达到最大值。在pH9的最佳pH条件下，生物炭凝胶球对初始浓度氨氮为200mg/L、总磷为25mg/L的模拟废水，氨氮吸附去除率为55％，总磷吸附去除率为94％。
实施例5
称取3g的生物炭凝胶球加入50mL氨氮浓度为19.62～196mg/L、总磷浓度为2.42～24.2mg/L的模拟废水中，并用0.1mol/LNaOH调节pH为9，具塞后置于25℃下振荡(150r·min-1)24h，超声10min，离心(4000r·min-1)10min后，取上清液经0.45μm滤膜过滤后，测滤液中氨氮和总磷浓度，每个处理设置3个重复。结果如图5所示，图中1～6水样中氨氮的浓度依次为19.62、39.24、78.48、117.72、156.96、196mg/L，总磷的浓度依次为2.42、4.84、9.68、14.52、19.36、24.2mg/L。由图5可知，随着水样中氨氮和总磷浓度的增加，氨氮的去除率先增大后减少，而总磷的去除率逐渐增加。当氨氮和总磷的初始浓度为156.96和19.36mg/L时，氨氮的去除率达到59.6％，总磷的去除率达到99.8％。
实施例6
利用超高分辨场发射电子显微镜对吸附氮磷前后的生物炭和生物炭凝胶球分别进行电镜扫描，观察其微观结构变化。由图6和图7对比可看出，吸附后生物炭表面吸附了氨氮；图8可看到分布在生物炭凝胶球中的MgO粉末；从图9可看出，生物炭凝胶球中的MgO粉末在吸附后已经没有了，反而多了很多粒径很小的颗粒物质，推测应该是吸附过程中反应生成的磷酸镁、磷酸氨镁、磷酸钾镁以及磷酸钙等沉淀物。

Claims (10)

1.一种秸秆生物炭凝胶球，秸秆生物炭、氧化镁与海藻酸钠溶液混合均匀后，滴入氯化钙溶液反应形成凝胶球，其特征在于，所述的氧化镁添加比例为秸秆生物炭质量的1％～1.2％。
2.制备权利要求1所述的秸秆生物炭凝胶球的方法，秸秆生物炭、氧化镁与海藻酸钠溶液混合均匀后，滴入氯化钙溶液反应形成凝胶球，其特征在于，所述氧化镁添加比例为秸秆生物炭质量的1％～1.2％。
3.根据权利要求2所述的制备秸秆生物炭凝胶球的方法，其特征在于，秸秆生物炭和海藻酸钠溶液按照1:10～15g/mL的固液比混合。
4.根据权利要求2所述的制备秸秆生物炭凝胶球的方法，其特征在于，所述的海藻酸钠溶液的质量百分比浓度为2％～5％。
5.根据权利要求2所述的制备秸秆生物炭凝胶球的方法，其特征在于，所述的氯化钙溶液的质量百分比浓度为5％～6％。
6.根据权利要求2所述的制备秸秆生物炭凝胶球的方法，其特征在于，滴入氯化钙溶液后静置成型后洗涤、风干，制得秸秆生物炭凝胶球。
7.根据权利要求2所述的制备秸秆生物炭凝胶球的方法，其特征在于，所述的秸秆生物炭为水稻秸秆经破碎、水洗烘干后，放入马弗炉缺氧条件下，热解、冷却后研磨得到。
8.权利要求1所述的秸秆生物炭凝胶球在去除养殖废水厌氧沼液中氮磷工艺中的应用，其特征在于，适用于pH值为6～10.5的含氮磷的废水，常温反应。
9.根据权利要求8所述的秸秆生物炭凝胶球在去除养殖废水厌氧沼液中氮磷工艺中的应用，其特征在于，所述的含氮磷废水调节pH至9，再向废水中投加生物炭凝胶球，可达到最佳效果。
10.根据权利要求8所述的秸秆生物炭凝胶球在去除养殖废水厌氧沼液中氮磷工艺中的应用，其特征在于，在超声辅助下进行。
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