CN110681350A - 一种磷酸改性浒苔生物炭的制备方法及其去除重金属镉的应用 - Google Patents

一种磷酸改性浒苔生物炭的制备方法及其去除重金属镉的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用浒苔制备生物炭的方法及应用；浒苔冷冻干燥后，浒苔用磷酸浸渍，然后烘干至恒重；将得到的烘干混合物于研钵中进行研磨，将研磨后的样品放入管式炉，在氮气气氛下以400‑1000℃活化处理；得到的固体产物再用浓盐酸煮沸，然后超纯水洗涤后烘干至恒重，即得浒苔生物炭。所述生物炭应用吸附重金属镉。本发明提供的浒苔生物炭去除重金属镉的方法，生物炭吸附量最高达250mg/g以上，具有非常高的镉吸附去除能力，且镉吸附去除较其他重金属(铅、锌、铬和铜等)去除较难，本发明制备的生物炭也可以用于水体其他重金属(铅、锌、铬和铜等)的吸附去除应用当中。

Description

一种磷酸改性浒苔生物炭的制备方法及其去除重金属镉的 应用
技术领域
本发明属于水处理技术领域，更具体的，涉及一种利用浒苔制备生物炭是方法及对水体重金属的吸附去除应用。
背景技术
镉是一种非必需的重金属，具有高毒性，通过受污染的水和食物链进入人体和其他生物体，重金属的生物半衰期长达2-3年，不易降解，会造成持久性危害。开发有效的水处理技术进行镉污染废水处理具有重要的意义。传统的重金属处理方法主要有凝结、化学沉淀、离子交换和吸附法等，其中，吸附法因具有成本效益高、操作简单及有效实施等特点，是一种快速通用的方法。开发具有成本效益、高效和无毒性的新型吸附剂是水处理和净化领域的热门研究方向
现在吸附剂应用较多的为活性炭，但活性炭价格昂贵，不适合大规模推广使用。生物炭成本低，具有具有高度芳香化的结构，其表面含有丰富的官能团和相对较大的比表面积，这些结构特性使生物炭具备了良好的吸附性质，可以作为重金属污染物质良好的吸附材料，有助于提供活性炭的替代材料，进而实现大规模产业化利用。目前生物炭原材料主要集中在农林等废弃物，对海洋藻类的研究相对匮乏，但藻类和陆地秸秆等农作物结构具有很大不同，藻类的研究有助于弥补生物炭原材料研究内容的匮乏，为制备获得高效生物炭吸附剂提供新的原材料。
浒苔是一种藻类，虽然无毒，但是和赤潮一样，大量繁殖的浒苔也能遮蔽阳光，影响海底藻类的生长；死亡的浒苔也会消耗海水中的氧气；浒苔分泌的化学物质很可能还会对其他海洋生物造成不利影响。浒苔呈现长条状结构，本身就具有多孔的特点，是制备生物炭的良好材料，烧制所得生物炭具有良好的孔径结构，对水体重金属有较好的去除能力，能够实现“以废治废”的效果。
目前生物炭吸附量相对较小，难以推广使用，本文将利用磷酸改性浒苔制备的生物炭吸附水体中金属镉，吸附量已经基本达到工业化利用的程度，为科研工作者提供研究数据的同时，为藻类生物炭的生产和使用提供新材料和新方法。
发明内容
本发明的主要目的是针对当前水体重金属镉含量过高的问题，提供一种浒苔生物炭去除重金属镉的方法，其目的在于极大的改善浒苔生物炭的吸附性能，通过生物处理保留浒苔中的含氧官能团，进一步活化改善浒苔生物炭的表面性质，解决目前生物炭吸附重金属镉吸附效率较低的技术问题。
为了实现上述目的，按照本发明提供了一种利用浒苔制备的生物炭的方法；另外，本发明还提供一种所述方法制备的生物炭及其在吸附水体重金属镉的应用。
具体技术方案如下：
一种利用浒苔制备生物炭的方法，浒苔冷冻干燥后，浒苔用磷酸浸渍，然后烘干至恒重；将得到的烘干混合物于研钵中进行研磨，将研磨后的样品放入管式炉，在氮气气氛下以400-1000℃活化处理；得到的固体产物再用浓盐酸煮沸，然后超纯水洗涤后烘干至恒重，即得浒苔生物炭。
本发明利用浒苔为原材料，浒苔和磷酸的重量比为1:2～5，其中磷酸溶液的重量浓度为30-90％浒。
在浸渍过程中，磷酸浸渍浒苔时间为6-24h。
干燥温度为90-105℃，干燥时间为12-24h。
在热解过程中，升温速率为5-20℃/min,热解时间为1-5h。
生物炭固体产物所用浓盐酸煮沸浓度为3-12mol/L,煮沸时间为0.5-2h。
在所用磷酸改性剂及相应温度下进行炭化反应，至所述的温度范围，保温反应至所述的时间，冷却后煮沸过滤，采用去离子水洗涤后即得生物炭。
一种所述生物炭吸附重金属镉的应用，将所述的生物炭与含重金属镉的样品溶液接触。
吸附过程例如为：先将含有重金属镉的水样进行原子吸收测定其离子浓度，在离心管中将生物炭和重金属镉按照1g:0.375mg-1g:3.125mg的比例进行试验放入恒温摇床中在25℃下震荡24h后过滤，根据吸附前后重金属镉浓度的差值计算吸附量。
在浒苔生物炭投加量为0.01g/100ml-0.10g/100ml、吸附时间为24h,生物炭吸附量可达250mg/g以上,具有良好的重金属吸附效果。
通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的浒苔生物炭去除重金属镉的方法，在保留其化学性质的同时，初步改善了浒苔生物炭表面的物理化学性质，为后期处理提供了基础，为吸附重金属镉提供新的吸附材料；
本发明提供的方法，通过磷酸进行浸渍更大程度上改善了生物炭的物理化学性质，与化学沉淀、膜分离、生物降解方法相比，本发明的利用浒苔基生物炭吸附去除水中重金属镉的方法，操作简单，成本低，具有产业化前景。
本发明提供的方法，充分发挥了改性剂对生物炭的改性作用，将浒苔变废为宝，为海洋入侵植物的资源化利用提供有效的解决方式，并且缓解了海洋环境的保护问题；
同时本发明提供的方法，不仅限于改性浒苔生物炭，也可以用来改性其他材料所制备的生物炭，使其得到资源化处理，并应用于水中重金属镉的吸附去除。
本发明生物炭吸附量最高达250mg/g以上，具有非常高的镉吸附去除能力，且镉吸附去除较其他重金属(铅、锌、铬和铜等)去除较难，本发明制备的生物炭也可以用于水体其他重金属(铅、锌、铬和铜等)的吸附去除应用当中。
附图说明
图1：实施例1制得的生物炭SEM图见；
图2：实施例2制得的生物炭SEM图见；
图3：实施例3制得的生物炭SEM图见；
图4：实施例4制得的生物炭SEM图见。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
以下为实施例：
实施例1
浒苔冷冻干燥后，将15g浒苔和50g质量浓度为60％的磷酸水溶液放置在烧杯中，浒苔与溶液中磷酸的质量比为1:2，搅拌均匀后，浸渍12h，放入烘箱中烘干24h,然后在管式炉中以10℃/min的升温速率，于700℃进行炭化1h，自然冷却后用浓硫酸煮沸0.5h,用去离子水洗涤至中性，抽滤，于90℃烘干12h，得到浒苔生物炭材料，标记为EPB2。制得的生物炭SEM图见图1。
实施例2
浒苔冷冻干燥后，将15g浒苔和50g质量浓度为90％的磷酸水溶液放置在烧杯中，浒苔与溶液中磷酸的质量比为1:3，搅拌均匀后，浸渍6h，放入烘箱中烘干12h,然后在管式炉中以5℃/min的升温速率，于400℃进行炭化5h，自然冷却后用浓硫酸煮沸2h,用去离子水洗涤至中性，抽滤，于100℃下烘干24h，得到浒苔生物炭材料，标记为EPB3。制得的生物炭SEM图见图2。
实施例3
浒苔冷冻干燥后，将15g浒苔和200g质量浓度为30％的磷酸水溶液放置在烧杯中，浒苔与溶液中磷酸的质量比为1:4，搅拌均匀后，浸渍24h，放入烘箱中烘干18h,然后在管式炉中以20℃/min的升温速率，于1000℃进行炭化3h，自然冷却后用浓硫酸煮沸1h,用去离子水洗涤至中性，抽滤，于105℃下烘干18h，得到浒苔生物炭材料，标记为EPB4。制得的生物炭SEM图见图3。
实施例4
浒苔冷冻干燥后，将15g浒苔和125g质量浓度为60％的磷酸水溶液放置在烧杯中，浒苔与溶液中磷酸的质量比为1:5，搅拌均匀后，浸渍12h，放入烘箱中烘干24h,然后在管式炉中以10℃/min的升温速率，于700℃进行炭化1h，自然冷却后用浓硫酸煮沸0.5h,用去离子水洗涤至中性，抽滤，于90℃下烘干12h，得到浒苔生物炭材料，标记为EPB5。制得的生物炭SEM图见图4。
吸附性能测试：
吸附过程为分别称取实施例1、实施例2、实施例3和实施例4对应的生物炭各20mg于50ml离心管中，加入25ml浓度为30-250mg/l的镉溶液，调整pH为7，设置空白对照，放入恒温摇床中在25℃下震荡24h后离心过滤，用原子吸收法测定镉离子浓度，根据吸附前后重金属镉浓度的差值计算吸附量。
各实施例制备得到生物炭样品的重金属镉离子吸附量检测数据见表1。
实施例1、实施例2、实施例3和实施例4对应的改性生物炭分别为EPH2、EPH3、EPH4和EPH5。
表1不同反应初始浓度对生物炭吸附重金属镉(mg/g)的影响
Figure BDA0002208269650000041
注释：mg/g为每g生物炭吸附的重金属mg。
各实施例制得的生物炭吸附重金属镉的吸附效果较好，在镉溶液浓度为250mg/l时，各实施例对应的生物炭吸附量均最高，EPB5较其他生物炭吸附量较低为62.19mg/g，已经高于现有技术正常吸附量(50mg/g左右)，EPB3吸附量较高为254.53mg/g，达到现有技术正常吸附量(50mg/g左右)的五倍以上，本发明的吸附量较其他研究也相对较高，具有较高的工业化推广价值。
本发明公开和提出的技术方案，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (7)

1.一种利用浒苔制备生物炭的方法，其特征是浒苔冷冻干燥后，浒苔用磷酸浸渍，然后烘干至恒重；将得到的烘干混合物于研钵中进行研磨，将研磨后的样品放入管式炉，在氮气气氛下以400-1000℃活化处理；得到的固体产物再用浓盐酸煮沸，然后超纯水洗涤后烘干至恒重，即得浒苔生物炭。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是浒苔和磷酸的重量比为1:2～5；磷酸溶液的重量浓度为30-90％。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是在浸渍过程中，磷酸浸渍浒苔时间为6-24h。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是干燥温度为90-105℃，干燥时间为12-24h。
5.如权利要求1所述的方法，其特征是在热解过程中，升温速率为5-20℃/min,热解时间为1-5h。
6.如权利要求1所述的方法，其特征是生物炭固体产物所用浓盐酸煮沸浓度为3-12mol/L,煮沸时间为0.5-2h。
7.权利要求1方法制备的生物炭应用于吸附重金属镉。
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