CN111875053A - 一种生物炭-硅藻土复合材料及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种生物炭‑硅藻土复合材料及其制备方法和在不同pH污水中的强化脱氮中的应用，制备方法包括以下步骤：将聚氨酯加热熔融，转化为液体胶状聚氨酯；将得到的液体胶状聚氨酯用喷雾器喷出，加入生物炭和硅藻土；将所述得到的混合物冷却，形成以多孔性聚氨酯为粘合剂的生物炭‑硅藻土复合材料。本发明制备的复合材料中生物炭是电子储存能力的碳基材料可以作为电子供体强化生物反硝化性能，其与硅藻土等多孔性物质复合可进一步提升好氧区同步硝化反硝化性能，实现不同类型污染水体中氮的强化脱除，去除率可达到82％以上，且具有去除效果好、制备工艺简单等优点。
Description
技术领域
本发明属于环保技术领域，具体涉及一种生物炭-硅藻土复合材料及制备方法和应用。
背景技术
随着城市现代化、工业化的逐步发展，大量生活污水及工业污水向水体超负荷排放，使得大量含有氮、磷营养物质的生活污水排入附近的湖泊、水库和河流,增加了这些水体的营养物质的负荷量，最终导致藻类等浮游生物获得营养后疯长，水体溶解氧被大大消耗，鱼类等生物无法存活而大量死亡，水体质量变差，出现富营养化水体。而藻类及其他浮游生物残体在腐烂过程中，又把大量的氮、磷等营养物质释放入水中，供新的一代藻类等生物利用。因此，富营养化了的水体，即使切断外界营养物质的来源，水体也很难自净和恢复到正常状态。由此，控制水体中氮磷营养盐含量对水污染治理尤为重要。
脱氮处理是废水处理中的重要环节之一。废水中氮的去除方法有物理法、化学法和生物法等，而物理吸附法被公认为是一种操作简单、高效快速、经济且无二次污染的方法，广泛应用与氨氮废水的处理。常用的吸附材料有活性炭、天然沸石、硅藻土、粉煤灰、钢渣等，然而常规吸附剂吸附氨氮容量低，吸附剂难再生且价格贵，氨氮回收再利用和吸附残渣处置困难。因此开发高效、低成本、无二次污染的强效脱氮药剂具有重要的市场应用价值。
发明内容
本发明针对上述缺陷，提供一种具有高效强化脱氮效率、低投加量、低成本且无二次污染特点的一种生物炭-硅藻土复合材料及制备方法和应用。
本发明提供如下技术方案：一种生物炭-硅藻土复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将聚氨酯于180℃～230℃加热熔融，转化为液体胶状聚氨酯；
S2：将所述S1步骤得到的液体胶状聚氨酯用喷雾器以1.2mL/min～30mL/min的喷出速度喷出，加入与所述聚氨酯质量比为(1:3)～(2:1)的生物炭和硅藻土混合物；
S3：将所述S2步骤得到的混合物冷却，形成以多孔性聚氨酯为粘合剂的生物炭-硅藻土复合材料。
进一步地，所述S1步骤的加热熔融时间大于3min。
进一步地，所述S2步骤采用的生物炭的粒径范围为0.15mm～0.5mm。
进一步地，所述S2步骤采用的硅藻土的粒径范围为0.15mm～0.5mm。
进一步地，所述S2步骤加入的所述生物炭和硅藻土混合物中，生物炭和硅藻土的质量比为(1:5)～(5:1)。
进一步地，所述S3步骤的冷却时间为1h～5h。
本发明还提供利用上述制备方法制备的生物炭-硅藻土复合材料，所述复合材料为球状颗粒形态，颗粒粒径在0.5mm～1.5mm。
本发明还提供上述生物炭-硅藻土复合材料在污水处理中的应用，在污水处理过程中，所述复合材料中的生物炭为电子储存能力的碳基材料，作为电子供体强化污水中的生物反硝化性能，与所述硅藻土提升好氧同步硝化反硝化性能，实现污染水体中氮的强化脱除，去除率达到82％以上。
进一步地，所述复合材料应用于不同pH的污水，所述pH范围为3～12。
本发明的有益效果为：
1、本发明所提供的生物炭-硅藻土复合材料中所采用的生物炭是一种新型的环境保护功能性材料，生态环境效益较好。生物炭具有多孔性、比表面积大和含有羧基等使其吸附能力强、离子交换量大；作为吸附材料，特点是有机碳含量高、孔隙多、碱性、吸附能力强、用途多。生物炭不仅能通过吸附作用除去废水中的氮，同时生物炭是电子储存能力的碳基材料可以作为电子供体强化生物反硝化性能。
2、本发明所提供的生物炭-硅藻土复合材料中所采用的硅藻土是一种生物成因的沉积岩，储藏丰富，其具有孔隙率高、比表面积大、吸附性能强、耐磨、耐酸性，且其表面大量不同的羟基可于其他物质发生反应成键。将生物炭和硅藻土合可进一步提升好氧区同步硝化反硝化性能，实现不同类型污染水体中氮的强化脱除。生物炭-硅藻土复合材料用于去除废水中的氮，在选择高效廉价的脱氮药剂和回收利用氮资源方面是一种新的突破。
3、本发明具有不同pH污水高效强化脱氮，投加量低，原材料来源广，制作成本低，污水处理无二次污染的优点；制备过程简单且环保，其在实际工程中的生产成本低，可大规模生产，且脱氮效果好，可广泛应用于各类水体修复工程。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供的一种生物炭-硅藻土复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将聚氨酯于180℃加热熔融6min，转化为液体胶状聚氨酯；
S2：将S1步骤得到的液体胶状聚氨酯用喷雾器以1.2mL/min速度喷出，加入与S1步骤中的聚氨酯的质量比为2:1的生物炭和硅藻土混合物，生物炭的粒径为0.15mm，硅藻土的粒径为0.3mm，生物炭和硅藻土混合物中生物炭与硅藻土的质量比为2:3；
S3：将S2步骤得到的混合物冷却1h，形成以多孔性聚氨酯为粘合剂的生物炭-硅藻土复合材料。
本实施例制备得到的生物炭-硅藻土复合材料为球状颗粒，粒径为1mm。
实施例2
本实施例提供的一种生物炭-硅藻土复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将聚氨酯于200℃加热熔融5min，转化为液体胶状聚氨酯；
S2：将S1步骤得到的液体胶状聚氨酯用喷雾器以15mL/min速度喷出，加入与S1步骤质量比为1:3的生物炭和硅藻土混合物，生物炭的粒径为0.15mm，硅藻土的粒径为0.15mm，生物炭和硅藻土混合物中生物炭和硅藻土的质量比为1:5；
S3：将S2步骤得到的混合物冷却5h，形成以多孔性聚氨酯为粘合剂的生物炭-硅藻土复合材料。
本实施例制备得到的生物炭-硅藻土复合材料为球状颗粒，粒径为0.5mm。
实施例3
本实施例提供的一种生物炭-硅藻土复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将聚氨酯于220℃加热熔融3min，转化为液体胶状聚氨酯；
S2：将S1步骤得到的液体胶状聚氨酯用喷雾器以30mL/min速度喷出，加入与S1步骤中的聚氨酯质量比为3:2的生物炭和硅藻土混合物，生物炭的粒径为0.5mm，硅藻土的粒径为0.3mm；生物炭和硅藻土与聚氨酯的质量比为3:2；生物炭和硅藻土混合物中生物炭和硅藻土的质量比为5:1；
S3：将S2步骤得到的混合物冷却3h，形成以多孔性聚氨酯为粘合剂的生物炭-硅藻土复合材料。
本实施例制备得到的生物炭-硅藻土复合材料为球状颗粒，粒径为1.5mm。
实施例4
取实施例1所制备的生物炭-硅藻土复合材料0.65g，置于50mL装有40mL含氮模拟污水的离心管中，其中氮的浓度为100mg/L，pH值调节范围为3～12，之后将离心管置于恒温摇床振荡12h(25℃，150rmp)，测定上清液中氮的残余浓度，计算去除率。结果如表1所示，在不同pH值条件下，氮的去除率为82.2％～90.5％。
表1 不同pH值条件下复合材料对氮的去除率
| pH | 3 | 5 | 7 | 9 | 11 | 12 |
| 氮去除率％ | 85.3 | 82.2 | 90.5 | 89.7 | 88.4 | 90.2 |
实施例5
取实施例1所制备的生物炭-硅藻土复合材料0.65g，置于50mL装有40mL含氮模拟污水的离心管中，其中氮的浓度范围为1～100mg/L，初始pH值为7，之后将离心管置于恒温摇床振荡12h(25℃，150rmp)，测定上清液中氮的残余浓度，计算去除率。结果如表2所示，在不同pH值条件下，氮的去除率为90.2％～95.6％。
表2 不同氮浓度下复合材料对氮的去除率
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上文所述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (9)
1.一种生物炭-硅藻土复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将聚氨酯于180℃～230℃加热熔融，转化为液体胶状聚氨酯；
S2：将所述S1步骤得到的液体胶状聚氨酯用喷雾器以1.2mL/min～30mL/min的喷出速度喷出，加入与所述聚氨酯质量比为(1:3)～(2:1)的生物炭和硅藻土混合物；
S3：将所述S2步骤得到的混合物冷却，形成以多孔性聚氨酯为粘合剂的生物炭-硅藻土复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种生物炭-硅藻土复合材料的制备方法，其特征在于，所述S1步骤的加热熔融时间大于3min。
3.根据权利要求1所述的一种生物炭-硅藻土复合材料的制备方法，其特征在于，所述S2步骤采用的生物炭的粒径范围为0.15mm～0.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种生物炭-硅藻土复合材料的制备方法，其特征在于，所述S2步骤采用的硅藻土的粒径范围为0.15mm～0.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种生物炭-硅藻土复合材料的制备方法，其特征在于，所述S2步骤加入的所述生物炭和硅藻土混合物中，生物炭和硅藻土的质量比为(1:5)～(5:1)。
6.根据权利要求1所述的一种生物炭-硅藻土复合材料的制备方法，其特征在于，所述S3步骤的冷却时间为1h～5h。
7.根据权利要求1-6任一所述的制备方法制备的生物炭-硅藻土复合材料，其特征在于，所述复合材料为球状颗粒形态，颗粒粒径在0.5mm～1.5mm。
8.根据权利要求7所述的生物炭-硅藻土复合材料在污水处理中的应用，其特征在于，在污水处理过程中，所述复合材料中的生物炭为电子储存能力的碳基材料，作为电子供体强化污水中的生物反硝化性能，与所述硅藻土提升好氧同步硝化反硝化性能，实现污染水体中氮的强化脱除，去除率达到82％以上。
9.根据权利要求8所述的生物炭-硅藻土复合材料在污水处理中的应用，其特征在于，所述复合材料应用于不同pH的污水，所述pH范围为3～12。
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