碱改性猪粪生物炭及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种碱改性猪粪生物炭及其制备方法和应用。该碱改性猪粪生物炭的制备包括：(1)将预处理后的猪粪在氮气下于300℃～700℃进行高温热解，升温速率为8℃/min～12℃/min，热解时间为2h～4h，经冷却、碾碎、过筛后，得到猪粪生物炭；(2)将猪粪生物炭与氢氧化钾溶液混合，搅拌反应，反应温度为90℃～100℃，搅拌速度为867r/min～1300r/min，反应时间为12h～24h，经过滤、洗涤和烘干，得到碱改性猪粪生物炭。本发明专利技术的碱改性猪粪生物炭比表面积和孔体积大，极大地缩短了吸附平衡时间，对水体中的铅具有较高去除能力，制备过程简单，成本低廉，具有广泛的应用前景。

Alkali modified pig manure biochar and its preparation and Application

The invention discloses a alkali modified pig manure biochar and a preparation method and application thereof. The preparation of the alkali modified pig manure bio carbon includes: (1) the pre treated pig manure is pyrolyzed at 300 to 700 C under nitrogen, the heating rate is 8 /min to 12 centigrade /min, the pyrolysis time is 2H ~ 4h, and the pig manure biological charcoal is obtained after cooling, crushing and sieving. (2) mixing the pig manure biological charcoal with the potassium hydroxide solution and stirring. The reaction temperature is 90 to 100 C, the stirring speed is 867r/min to 1300r/min, the reaction time is 12h ~ 24h, and the alkali modified pig manure biological carbon is obtained by filtration, washing and drying. The alkali modified pig manure biological carbon has a large surface area and a large pore volume, greatly shortens the adsorption equilibrium time, has a high removal ability to the lead in the water body, has a simple preparation process and low cost, and has a wide application prospect.

【技术实现步骤摘要】
碱改性猪粪生物炭及其制备方法和应用
本专利技术属于环境功能材料和水处理新
，涉及一种碱改性猪粪生物炭及其制备方法和应用，具体涉及一种碱改性猪粪生物炭及其制备方法和去除水体中铅的应用。
技术介绍
铅是一种毒性很大的重金属。由于采矿、冶炼、石油精炼、蓄电池、玻璃、油漆、涂料、医药、船舶等工业生产过程中排出的含铅废水、废气和废渣，铅及其化合物对环境的污染日趋严重。它可影响神经、造血、消化、泌尿、生殖和发育、心血管、内分泌、免疫、骨骼等各类器官，主要的靶器官是神经系统和造血系统。更为严重的是它影响婴幼儿的生长和智力发育，损伤认知功能、神经行为和学习记忆等脑功能，严重者造成痴呆。因此，对含铅废水的处理就显得尤为重要，有利于保护环境和公众健康。生物炭(biochar)是由生物残体在缺氧的情况下，经高温慢热解(通常＜700℃)产生的一类难熔的、稳定的、高度芳香化的、富含碳素的固态物质，具有多孔结构、比表面积高、孔容大、耐酸碱腐蚀、官能团丰富等优点，在污染物治理、水体净化等领域中得到了广泛的研究与应用。生物炭原料来源广泛，木材、秸秆、树叶、果壳、污泥、畜禽粪便等都可以作为生物炭原料。随着畜牧业的快速发展，猪粪产量大，难以回收处理，且容易对环境造成污染。因此，以猪粪为原料制备生物炭有以下优点：第一，原料来源广，简单易得，适用于大规模生产；第二，减少农村猪粪废弃物，并减少了猪粪对大气、土壤、地下水造成的污染。第三，以猪粪制备而成的生物炭，含有丰富的孔结构，且灰分含量要高于其他生物质制备的生物炭，通过对重金属的吸附、沉淀、离子交换等一系列反应，降低重金属在水体中的可迁移性和生物有效性，从而达到有效控制水体中重金属污染的目的。但是原始的生物炭在使用过程中存在以下问题：第一，需要一定的时间，原始生物炭才能对重金属达到吸附平衡，达到较高的吸附效果，因此不能及时有效地去除环境中的污染。第二，原始生物炭比表面积相对较小和孔体积相对较小，去除效率不高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简单、成本低廉、可在应用过程快速达到吸附平衡、且吸附效果好、对环境友好的碱改性猪粪生物炭及其制备方法和应用。为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种碱改性猪粪生物炭，所述碱改性猪粪生物炭主要由猪粪热解制得猪粪生物炭、猪粪生物炭经氢氧化钾溶液改性制备得到。上述的碱改性猪粪生物炭中，优选的，所述碱改性猪粪生物炭的灰分含量为40％～47％，比表面积为212m2/g～232m2/g，孔体积为0.1cm3/g～0.3cm3/g，孔平均粒径为1nm～3nm。更优选的，所述碱改性猪粪生物炭的灰分含量为40.52％～46.08％，比表面积为212.37m2/g～230.05m2/g，孔体积为0.198cm3/g～0.272cm3/g，孔平均粒径为1.648nm～2.144nm。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种碱改性猪粪生物炭的制备方法，包括以下步骤：(1)将预处理后的猪粪置于氮气气氛下加热升温至300℃～700℃进行高温热解，升温速率为8℃/min～12℃/min，热解时间为2h～4h，然后冷却至室温，经碾碎、过筛后，得到猪粪生物炭；(2)将步骤(1)所得猪粪生物炭与氢氧化钾溶液混合，搅拌下进行反应，反应温度为90℃～100℃，搅拌速度为867r/min～1300r/min，反应时间为12h～24h，反应完后，经过滤、洗涤和烘干，得到碱改性猪粪生物炭。上述的碱改性猪粪生物炭的制备方法中，优选的，所述步骤(2)中，所述猪粪生物炭的质量与氢氧化钾溶液的体积之比为0.05g～0.1g∶1mL，所述氢氧化钾溶液的浓度为1.5mol/L～2mol/L。上述的碱改性猪粪生物炭的制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，所述猪粪的预处理过程为：采集新鲜猪粪，先烘干至猪粪的含水率为10％～15％，然后粉碎并过100目～200目筛，密封贮存备用。上述的碱改性猪粪生物炭的制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，所述碾碎后的过筛是指过100目～200目筛。上述的碱改性猪粪生物炭的制备方法中，优选的，所述步骤(2)中，所述洗涤是采用超纯水洗涤数次直至洗液pH值不发生变化。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种上述的碱改性猪粪生物炭或者上述的制备方法制得的碱改性猪粪生物炭在去除水体中铅的应用。上述的应用中，优选的，所述应用包括以下步骤：将碱改性猪粪生物炭加入含铅水体中，调节水体的pH值，然后在室温下进行恒温振荡处理，实现水体中铅的去除；其中，碱改性猪粪生物炭的质量与含铅水体的体积之比为0.5g～5.0g∶1L，含铅水体中的铅浓度为5mg/L～500mg/L，pH值控制在2～7，恒温振荡处理的时间为0.25min～15min。上述的应用中，优选的，所述含铅水体中的铅浓度为5mg/L～100mg/L，所述pH值控制在3～7，所述恒温振荡处理的时间为3min～10min。本专利技术的主要创新点在于：本专利技术提供了一种碱改性猪粪生物炭及其制备方法的应用，以猪粪为生物质原材料，经高温热解制备得到原始生物炭(猪粪生物炭)。将原始生物炭与氢氧化钾溶液反应制得碱改性猪粪生物炭。与农业秸秆及其它草本植物或木本植物制备的生物炭相比，以猪粪为原料制备而成的生物炭灰分含量高，可通过离子交换和沉淀作用与重金属反应，提高了生物炭对水体中重金属的吸附量。此外，利用氢氧化钾改性生物炭，提高了生物炭的比表面积和孔容，增加了吸附位点，提高了猪粪生物炭对污染物的吸附能力，增加了O-C＝O在生物炭中所占比例，有利于重金属和生物炭的表面络合作用，大幅度缩短了生物炭对重金属吸附的平衡时间，减少了能源消耗，是一种廉价有效实用的吸附剂，适用于大规模的使用，具有良好的应用价值。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1.本专利技术的碱改性猪粪生物炭以猪粪为原料，来源广泛，成本低廉，制备方法简单、易操作、易推广。2.本专利技术的制备方法以猪粪为原料不仅解决了农村畜禽养殖难以解决的粪便废弃物的处理与处置问题，减轻了对生态环境的破坏，将猪粪生物炭应用于水体中重金属的去除研究，同时还实现了猪粪的资源化利用，达到了保护环境的目的。3.本专利技术的制备方法采用氢氧化钾改性猪粪生物炭对铅的吸附效果显著，去除率可达到98％，远高于其他吸附剂。4.本专利技术制备的碱改性猪粪生物炭对铅的吸附可以快速达到吸附平衡，且在10min内可达到吸附平衡，减少反应时间，减少能源消耗，可以用于紧急情况下的环境治理。附图说明图1为本专利技术实施例2制备的碱改性猪粪生物炭的扫描电镜图。图2为本专利技术实施例2制备的碱改性猪粪生物炭的X射线电子能谱总图。图3为本专利技术实施例2制备的碱改性猪粪生物炭的X射线电子能谱C1s分峰图。具体实施方式以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本专利技术作进一步描述，但并不因此而限制本专利技术的保护范围。以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。实施例1：一种本专利技术的碱改性猪粪生物炭，该碱改性猪粪生物炭主要由猪粪热解制得猪粪生物炭、猪粪生物炭经氢氧化钾溶液改性制备得到。一种本专利技术的碱改性猪粪生物炭的制备方法，包括以下步骤：(1)猪粪生物炭的制备：采集新鲜猪粪，60℃烘干至含水率为10％～15％，粉碎、过100目筛，密封贮存备用。将粉碎过筛后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碱改性猪粪生物炭，其特征在于，所述碱改性猪粪生物炭主要由猪粪热解制得猪粪生物炭、猪粪生物炭经氢氧化钾溶液改性制备得到。

【技术特征摘要】
1.一种碱改性猪粪生物炭，其特征在于，所述碱改性猪粪生物炭主要由猪粪热解制得猪粪生物炭、猪粪生物炭经氢氧化钾溶液改性制备得到。2.根据权利要求1所述的碱改性猪粪生物炭，其特征在于，所述碱改性猪粪生物炭的灰分含量为40％～47％，比表面积为212m2/g～232m2/g，孔体积为0.1cm3/g～0.3cm3/g，孔平均粒径为1nm～3nm。3.一种碱改性猪粪生物炭的制备方法，包括以下步骤：(1)将预处理后的猪粪置于氮气气氛下加热升温至300℃～700℃进行高温热解，升温速率为8℃/min～12℃/min，热解时间为2h～4h，然后冷却至室温，经碾碎、过筛后，得到猪粪生物炭；(2)将步骤(1)所得猪粪生物炭与氢氧化钾溶液混合，搅拌下进行反应，反应温度为90℃～100℃，搅拌速度为867r/min～1300r/min，反应时间为12h～24h，反应完后，经过滤、洗涤和烘干，得到碱改性猪粪生物炭。4.根据权利要求3所述的碱改性猪粪生物炭的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述猪粪生物炭的质量与氢氧化钾溶液的体积之比为0.05g～0.1g∶1mL，所述氢氧化钾溶液的浓度为1.5mol/L～2mol/L。5.根据权利要求3或4所述的碱改性猪粪生物...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄丹莲，王荣忠，曾光明，张辰，刘云国，赖萃，龚小敏，万佳，薛文静，张青，罗浩，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43