一种芦苇基生物炭吸附材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种芦苇基生物炭吸附材料的制备方法，其技术要点是，包括如下步骤：将芦苇秸秆清洗、烘干并粉碎；将芦苇秸秆粉碎物浸入KOH溶液中进行活化处理，然后作烘干处理；将烘干后的芦苇秸秆粉碎物放入气氛炉中，在氮气或惰性气体保护下进行无氧高温裂解；高温裂解处理后，冷却至室温，再利用酸性溶液将裂解后的材料清洗至中性，制得芦苇基生物炭吸附材料。不仅解决了湿地植物废弃物随意处理处置而造成环境污染、资源浪费的问题，而且与现有技术相比，制备产品具有高比表面积和对污染物的强吸附能力，产品的环保价值大大提升，充分实现废物资源化利用。

【技术实现步骤摘要】
一种芦苇基生物炭吸附材料的制备方法
本专利技术涉及环境工程领域，特别是一种芦苇基生物炭吸附材料的制备方法。
技术介绍
人工湿地是在自然湿地降解污水的基础上发展起来的污水处理生态工程技术。近年来，人工湿地在我国得到快速发展，有效改善了区域、流域的水环境质量。截至2014年，我国湿地总面积为5360.26万公顷，其中人工湿地面积为674.59万公顷。随着我国对水环境质量改善的要求日趋严格，人们向往美好环境的意愿不断加强，人工湿地的建设面积还将持续增加。芦苇作为主要的湿地植物是人工湿地的重要组成部分。首先，它能够直接吸附、富集水中的营养物质；其次，植物根系可以为微生物提供附着点，并在根区形成适宜多种湿地功能菌群生长的环境；再次，具有重要的生态美学价值。然而，随着各地人工湿地建设面积的不断扩大，湿地植物废弃物的合理处理处置将成为人工湿地管理者需要重点思考的问题。目前，湿地植物废弃物资源化的方式与农作物秸秆类似，主要包括：燃料使用、直接还田作肥料、作牲畜饲料等，只有少量用于造纸等工业原料。与此同时，还有大量的湿地植物废弃物被随意处理处置，这不仅是资源的浪费，更造成了严重的环境污染。而如果将芦苇等湿地植物废弃物继续充分利用到环保领域中，那将是对人工湿地环保价值的又一大提升，也是本申请人一直努力探索的研究方向。CN108236917A公开了一种基于芦苇秸秆的改性生物炭及在铅污染中的应用，该专利申请是通过向粉碎后的芦苇秸秆中混合碳酸钡和碳酸钙粉末，随后在350oC～450oC的条件下碳化，制备改性生物炭，所得产品用于重金属铅的去除。其中，碳酸钡和碳酸钙粉末作为活化剂。其原理是粉末状的碳酸钡和碳酸钙与原材料表面接触，或在低温脱水阶段（如100oC～120oC保持20-30分钟）部分粉末能够借助水蒸气的挥发进入纤维素内部，使其在后续高温条件下破坏生物质结构；在高温条件下（在350oC～450oC），碳酸钡和碳酸钙分解释放出的CO2与原料中不稳定的碳原子反应，使其转变为气体而脱离生物炭表面从而产生发达的多孔结构。该法的不足之处在于：CO2分子直径较大，其在碳颗粒孔道内的扩散速度较慢，因此需要更高的温度来提高反应速率，或是在相同的温度下延长反应时间。且该法最终碳化温度较低（如450oC），原材料碳化不完全，生物炭的表面结构不够均匀，大孔（r>50nm）居多，且孔径分布范围较窄，原材料的潜在吸附性能没有达到最大。因此，为了更好的利用湿地芦苇废弃物，现有的芦苇基生物炭吸附材料的制备方法仍需改进。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供一种克服现有芦苇秸秆制备的改性生物炭存在的不足的芦苇基生物炭吸附材料的制备方法，不仅解决了湿地植物废弃物随意处理处置而造成环境污染、资源浪费的问题，而且与现有技术相比，制备产品具有高比表面积和对污染物的强吸附能力，产品的环保价值大大提升，充分实现废物资源化利用。本专利技术的技术方案是：一种芦苇基生物炭吸附材料的制备方法，其技术要点是，包括如下步骤：步骤一，将芦苇秸秆清洗、烘干并粉碎，所述芦苇秸秆取自湿地芦苇废弃物；步骤二，将芦苇秸秆粉碎物浸入KOH溶液中进行碱化处理，然后作烘干处理；步骤三，将烘干后的芦苇秸秆粉碎物放入气氛炉中，在氮气或惰性气体保护下进行无氧高温裂解；步骤四，高温裂解处理后，冷却至室温得到生物炭固体，再利用酸性溶液将生物炭固体清洗至中性，制得芦苇基生物炭吸附材料。上述的芦苇基生物炭吸附材料的制备方法，所述芦苇秸秆粉碎物的尺寸为50目～100目。上述的芦苇基生物炭吸附材料的制备方法，所述KOH溶液的质量浓度为1000kg/m³，溶液中所含KOH与芦苇秸秆的质量比为2:1～4:1。上述的芦苇基生物炭吸附材料的制备方法，步骤二中，所述碱化处理的时间为12h。上述的芦苇基生物炭吸附材料的制备方法，步骤三中，高温裂解过程具体为：①升温前，向气氛炉内通入氮气或惰性气体20～30min，氮气或惰性气体的充气速率为100mL/min；②在持续通入氮气或惰性气体的条件下升温：a.10min内，炉内温度由室温提升至100oC～110oC，并在100oC～110oC的温度下保持20min～30min；b.随后，20min内，炉内温度由100oC～110oC提升至260oC～280oC，并在260oC～280oC的温度下保持30min～40min；c.接下来，20min内，炉内温度由260oC～280oC提升至440oC～460oC，并在440oC～460oC的温度下保持45min～60min；d.最后，20min内，炉内温度由440oC～460oC提升至640oC～660oC，并在640oC～660oC的温度下保持60min-80min；③加热停止。上述的芦苇基生物炭吸附材料的制备方法，步骤四中，所述酸性溶液为稀释后的HCl溶液，体积百分比浓度为5%～10%。上述的芦苇基生物炭吸附材料的制备方法，步骤四中，利用盐酸溶液与生物炭固体直接接触清洗，充分搅拌，然后测定混合液的pH值，直到混合液洗至中性，过滤分离，干燥后得到芦苇基生物炭吸附材料。本专利技术的有益效果是：1、由于我国对水环境质量关注度的不断加强，（人工）湿地的面积将持续增加，由此产生的湿地植物废弃物的量也将越来越多。采用芦苇秸秆作为本专利技术的主要原料制备生物炭吸附材料，削减了由随意堆放湿地植物废弃物造成的环境污染，制备出来的产品具有较强的污染物吸附能力，从而实现废物资源化利用。与此同时，把碳长期封存，减少二氧化碳和甲烷等温室气体的排放，更有助于减缓全球变暖以及降低大气污染。湿地芦苇废弃物分布广泛、来源丰富；内部结构疏松、多孔，比表面积较大；组成成分多为纤维素、半纤维素、木质素等，其含有的大量羟基、羧基、碳酰基等活性基团；基本骨架由碳元素构成，呈中性，易化学改性。因此，将湿地植物废弃物进一步开发作为生物质吸附剂，提高其再生利用价值将是一个优化选择。2、在制备生物炭吸附材料的过程中，本专利技术采用的活化剂为KOH，在碱性环境下活化处理芦苇秸秆，首先将KOH配成溶液，在原材料浸渍过程中KOH能够更容易、更均匀的进入纤维素内部，削弱内部分子间的氢键，使得在后续高温条件下，生物质结构更易遭到破坏；其次，K元素能够催化碳元素的气化，缩短反应时间，降低反应温度，活化效果好，活化效率高；再次，K元素能够增加生物炭表面活性位点，拓宽孔径分布的同时也增加了孔隙的数量，提高孔隙复杂程度。相比于Ba2+，K+粒径更小，嵌入秸秆后碳化造孔得到的孔径更细致更均匀，比表面积也更大，吸附能力增强的同时靶向性也有所提高；采用KOH活化后，产生了芦苇基生物炭的脱水以及脱羧反应，生物炭的芳香化程度得到提高，易于获得高比表面积的吸附材料。3、本专利技术的高温裂解（碳化）温度为640oC～660oC。研究表明，当其它条件相同时，对比现有技术350oC～450oC的碳化温度，经过640oC～660oC碳化后的芦苇基生物炭，凹坑和孔隙数量将大幅增加，比表面积也将显著增加，更有利于吸附效果的提升。以650oC高温条件为例，碳气化后形成的孔隙以介孔（2<r<50nm）居多，原材料碳化更完全，剩余结构重排成基于石墨晶格的有限平面内的缩合芳环，碳结构更加有序，更有利于污染物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种芦苇基生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，将芦苇秸秆清洗、烘干并粉碎，所述芦苇秸秆取自湿地芦苇废弃物；步骤二，将芦苇秸秆粉碎物浸入KOH溶液中进行碱化处理，然后作烘干处理；步骤三，将烘干后的芦苇秸秆粉碎物放入气氛炉中，在氮气或惰性气体保护下进行无氧高温裂解；步骤四，高温裂解处理后，冷却至室温得到生物炭固体，再利用酸性溶液将生物炭固体清洗至中性，制得芦苇基生物炭吸附材料。

【技术特征摘要】
1.一种芦苇基生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，将芦苇秸秆清洗、烘干并粉碎，所述芦苇秸秆取自湿地芦苇废弃物；步骤二，将芦苇秸秆粉碎物浸入KOH溶液中进行碱化处理，然后作烘干处理；步骤三，将烘干后的芦苇秸秆粉碎物放入气氛炉中，在氮气或惰性气体保护下进行无氧高温裂解；步骤四，高温裂解处理后，冷却至室温得到生物炭固体，再利用酸性溶液将生物炭固体清洗至中性，制得芦苇基生物炭吸附材料。2.根据权利要求1所述的芦苇基生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于：所述芦苇秸秆粉碎物的尺寸为50目～100目。3.根据权利要求1所述的芦苇基生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于：所述KOH溶液的质量浓度为1000kg/m³，溶液中所含KOH与芦苇秸秆的质量比为2:1～4:1。4.根据权利要求1所述的芦苇基生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述碱化处理的时间为12h。5.根据权利要求1所述的芦苇基生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，高温裂解过程具体为：①升温前，向气氛炉内通入氮气或惰性气体20～30min，氮气或惰性气体的充气速率为100mL/m...

【专利技术属性】
技术研发人员：李子音，赵传起，张华，张帆，陈晓东，许翼，孙莹，邵冰，
申请(专利权)人：沈阳环境科学研究院，
类型：发明
国别省市：辽宁,21