一种改良生物炭基除磷吸附剂及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种改良生物炭基除磷吸附剂及制备方法，即采用轻稀土元素在优化条件下负载到生物炭上，制备成高效的、环境友好的生物炭基除磷吸附剂：将洗净烘干的植物体粉末使用一定浓度的氯化铈溶液浸渍，调节生物炭原始材料与Ce元素的质量比为5%-15%；加入碱性溶液控制体系pH＞10，进行搅拌，使用乙醇洗涤、离心并烘干；将前述制备的材料置于马弗炉中，通过密闭措施在缺氧条件下进行程序升温并热解，控制热解温度和热解时间；热解结束并冷却后，使用蒸馏水对前述材料进行洗涤，离心，烘干并过筛，即得到最终产品。本发明专利技术制备的除磷吸附剂，对磷酸根具有优异的吸附性能，可达到77.52mg/g，为吸附净化含磷废水提供了一种环境友好、吸附性能优越的生物炭基材料。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，即采用轻稀土元素在优化条件下负载到生物炭上，制备成高效的、环境友好的生物炭基除磷吸附剂：将洗净烘干的植物体粉末使用一定浓度的氯化铈溶液浸渍，调节生物炭原始材料与Ce元素的质量比为5%-15%；加入碱性溶液控制体系pH＞10，进行搅拌，使用乙醇洗涤、离心并烘干；将前述制备的材料置于马弗炉中，通过密闭措施在缺氧条件下进行程序升温并热解，控制热解温度和热解时间；热解结束并冷却后，使用蒸馏水对前述材料进行洗涤，离心，烘干并过筛，即得到最终产品。本专利技术制备的除磷吸附剂，对磷酸根具有优异的吸附性能，可达到77.52mg/g，为吸附净化含磷废水提供了一种环境友好、吸附性能优越的生物炭基材料。【专利说明】
本专利技术涉及。
技术介绍
氮磷等营养元素大量进入自然水体，造成了富营养化，对人们的生产生活以及生态安全造成了严重影响。据统计，我国主要湖泊中，因氮磷污染而导致富营养化的占统计湖泊的56%之多。关于水体富营养化的研究表明，虽然氮和磷都是生物必须的重要营养物，但在很多情况下藻类等水生生物对磷更敏感。著名的湖泊学家Vollenweider认为,水中总磷浓度超过0.02mg/L即为富营养化。美国环保局(USEPA)对美国境内812个湖泊和水库进行调研后提出，水体富营养化的总磷浓度标准为高于0.02-0.25mg/L。我国学者的研究指出，总磷浓度超过0.02mg/L时，水体开始富营养化进程；当水中磷浓度达到0.5mg/L时，蓝藻开始大量生长。由此可见，磷素是导致水体富营养化的限制性因素，降低人工排水中的磷素含量意义重大。而水体中磷的去除方法有多种，包括化学沉淀法、生物除磷技术、吸附技术等。其中吸附法除磷是磷在吸附剂表面的附着吸附、离子交换或表面沉淀等过程，将水体中均相的磷转移到吸附介质上，实现磷从污水中分离的技术。吸附技术的核心就是选择合适的吸附剂，目前对磷素具有一定吸附性能的吸附材料已有较多报道，如明矾污泥、水葫芦废弃物、沸石、天然磁性黄铁矿、纳米零价铁、铁-铜复合氧化物等。这些吸附材料对磷的吸附能力普遍不高。生物炭(Biochar)是在完全或部分缺氧条件下，以及相对较低的温度条件下(<7000C )，经热解炭化产生的一种含碳量丰富、性质稳定的有机物质。生物炭表面具有大量的孔洞，空隙大小不一。这种孔洞结构有利于微生物的生长。生物炭容重小，水、气吸收能力强，且具有大量的表面负电荷以及高电荷密度的特性，能形成电磁场，构成了生物炭良好的吸附特性，能吸附水、土壤或沉积物中的无机离子及极性或非极性有机化合物，特别是利于吸附土壤和水体中重金属污染物质和有机污染物。鉴于上述一系列的优良特性，以及成本低、环境友好等优点，生物炭在近年来被广泛用于固碳减排、土壤修复改良、污染水体净化等方面的研究和实践。然而，生物炭表面往往呈现一定的碱性，这也决定了生物炭对阳离子型物质(如重金属等)具有良好的吸附性能；同时对阴离子型物质(如磷酸根、硝酸根等)普遍吸附性能较差。若希望将生物炭运用于吸附净化阴离子含量较多的废水(如含磷废水)，则需要对其在一定条件下进行改良，以增加表面正电荷，实现对阴离子较强的吸附能力。我国目前是世界上最大的稀土生产国，稀土储量大、种类全，扩展稀土元素的利用途径，提高稀土元素的利用效率，具有重要的意义。稀土元素根据原子序数和质量分为轻稀土和重稀土元素。轻稀土元素(如铈元素)在地壳中丰度高、成本低，低浓度条件下环境友好。同时，有文献报道了轻稀土元素氧化物对阴离子具有较好吸附性能。然而，单纯使用稀土元素作为吸附剂，成本高，效率低，难以推广应用。为此，本专利技术使用轻稀土元素(铈元素)对生物炭进行改良，旨在利用生物炭多孔结构负载纳米级铈元素化合物颗粒，提高生物炭对磷酸根的吸附能力。本专利技术一方面大大提高了生物炭对磷酸根的吸附能力，提供了一种高效的、环境友好的生物炭吸附剂；另一方面也扩展了铈元素的应用范围，具有重要的现实意义。
技术实现思路
目的:为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供。技术方案:为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为:一种改良生物炭基除磷吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:1)制备生物炭原始材料AO:2)制备生物炭原始材料AO和铈化合物的混合物Al:将洗净烘干的生物炭原始材料AO粉末使用一定浓度的氯化铈溶液浸溃，调节AO与Ce元素的质量比为5%-15% ;对上述混合体系进行搅拌，同时加入碱性溶液控制体系pH ^ 10，然后使用乙醇洗涤、离心并烘干，得Al ；3)制备负载铈的改良生物炭A2:将Al置于马弗炉中，通过密闭措施在缺氧条件下进行程序升温并热解，控制一定的热解温度和热解时间；热解结束并冷却后，使用蒸馏水对前述材料进行洗涤，离心，烘干并过筛，即得改良生物炭基除磷吸附剂A2。所述步骤I)具体是指:将自然晾晒风干的作物秸杆破碎成长度0.1-0.5cm的碎块，用去离子水对其进行反复洗涤，至洗涤浸出液遇钥酸铵和抗坏血酸不显蓝色；将洗涤后的秸杆置于60-100°C烘箱中烘干6-12h，然后使用粉碎机粉碎，过60目筛，获得的物料即为生物炭原始材料AO。作为优选方案，所述作物秸杆为玉米秸杆、小麦秸杆、水稻秸杆、大豆秸杆中的一种或几种。所述步骤2)具体是指:将铈化合物加入蒸馏水中充分溶解制成铈化合物溶液，再加入前述AO物料,其加入质量体积比为AO质量(g):氯化铺溶液体积(mL)=l:10 (g/mL)；同时通过控制铺化合物溶液浓度，调控AO与铺元素的质量比为5%-15% ;将上述混合物进行搅拌，同时逐滴加入碱性溶液，控制前述混合溶液pH ^ 10，继续搅拌l_2h，然后离心，倒掉上清液，将剩余固体用乙醇清洗后放入烘箱中烘干至恒重即为Al。 作为优选方案，所述碱性溶液为所述碱性溶液为4-6M NaOH或NH3 -H2O或KOH ;所述铈化合物为氯化铈CeCl3.7H20。所述步骤3)具体是指:将Al捣碎置于容器中，加盖密闭，放入马弗炉中于300-600°C缺氧热解20-100min，热解过程采用逐步升温方式，热解升温速率设定为10-20°C /分钟，马弗炉输出功率百分比为80% ;冷却至室温后取出，然后用蒸馏水浸泡并离心，重复该过程至浸出液pH〈8 ;最后对清洗后的材料进行烘干，过60目筛，获得的物料即为本专利技术最终产物A2。所述离心的转速3000-5000rpm，时间为5_8min。本专利技术还提供了一种改良生物炭基除磷吸附剂，采用以上所述的一种改良生物炭基除磷吸附剂的制备方法制得。所述改良生物炭基除磷吸附剂的材料表面含有以下元素:C、N、O、Na、Mg、Al、S1、P、S、Cl、K、Ca、La、Ce、Fe ;其中Ce元素在材料表面的质量比含量为5_25%。有益效果:本专利技术提供的，使用轻稀土化合物(铈元素化合物)对生物材料进行浸溃预处理，然后在优化的条件下(包括热解时间、最高热解温度、物料比)缺氧热解，制备成负载了 Ce元素化合物纳米颗粒的生物炭基吸附齐U，实现了对含磷废水的高效去除；对磷酸根具有优异的吸附性能，在一定条件下可以达到77.52mg/g，高于普遍报道的炭基和矿质吸附剂对磷酸根的吸附能力；同时使用的轻稀土元素(Ce)是地壳中最丰的稀土金属元素，扩展了该稀土元素的应用范本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改良生物炭基除磷吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）制备生物炭原始材料A0；2）制备生物炭原始材料A0和铈化合物的混合物A1：将洗净烘干的生物炭原始材料A0粉末使用一定浓度的氯化铈溶液浸渍，调节A0与Ce元素的质量比为5%‑15%；对上述混合体系进行搅拌，同时加入碱性溶液控制体系pH≥10，然后使用乙醇洗涤、离心并烘干，得A1；3）制备负载铈的改良生物炭A2：将A1置于马弗炉中，通过密闭措施在缺氧条件下进行程序升温并热解，控制一定的热解温度和热解时间；热解结束并冷却后，使用蒸馏水对前述材料进行洗涤，离心，烘干并过筛，即得改良生物炭基除磷吸附剂A2。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：冯彦房，杨林章，薛利红，刘杨，戴敏，何世颖，
申请(专利权)人：江苏省农业科学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32