一种硫氮掺杂多孔生物炭、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种硫氮掺杂多孔生物炭、制备方法及应用,包括硫酸钙为模板，草酸钾为活化剂，豆类纤维为碳源，采用煅烧进行硫氮掺杂多孔生物炭的制备。本发明专利技术制备的硫氮掺杂生物炭是一种低成本、高效率处理重金属废水的环境友好型吸附剂，对Cu

【技术实现步骤摘要】
一种硫氮掺杂多孔生物炭、制备方法及应用
本专利技术属生物炭制备领域，具体涉及一种硫氮掺杂多孔生物炭、制备方法及应用。
技术介绍
生物炭是一种难溶的、稳定的、高度芳香化的、富含碳素的黑色蓬松状固态物质，是属于黑炭范畴的一种，组成元素主要是碳、氢、氧、氮等，含碳量在70％以上。生物炭具有致密的微孔结构和巨大的比表面积，吸附能力强，能吸附铅、铬、汞、镉、铜、锌等重金属。除此之外，生物炭还具有生产成本低、生态安全、无污染、可大面积推广等显著特点。这些显著特点，使其可作为一种高效、廉价的重金属离子吸附剂。豆渣是生产豆奶或豆腐过程中的副产品,具有蛋白质,脂肪,钙,磷,铁等多种营养物质。中国是豆腐生产的发源地，具有悠久的豆腐生产历史，豆腐的生产、销售量都较大，相应的豆渣产量也很大。除少部分豆渣供食用外,主要用作饲料或肥料使用，绝大部分并未被得到良好的开发利用。
技术实现思路
本专利技术采用的一种硫氮掺杂多孔生物炭的制备方法，采用硫酸钙作硬模板，草酸钾作活化剂将食品废料脱脂大豆豆渣作为碳源进行800℃高温煅烧得到硫氮掺杂多孔生物炭。该制备方法简单，不需要添加其他化学物质或有机溶剂，制备过程环境友好，易于工业化生产。所得生物炭产物对重金属铜和镍具有良好的选择和吸附能力，且在吸附重金属离子后通过硼氢化钠原位还原可进一步应用于水体中污染物的催化降解，实现重金属的回收再利用。为达到上述技术效果，本专利技术采取的技术方案为：一种硫氮掺杂多孔生物炭的制备方法，制备原料包括模板、活化剂和碳源，制备方法采用煅烧；所述的碳源为豆类纤维。可选的，所述的模板为硫酸钙，所述的活化剂为草酸钾；模板、活化剂和碳源的质量比是1:1:1。可选的，所述煅烧的温度为800℃，时间为1h。可选的，所述的豆类纤维包括黄豆豆渣，黄豆豆渣为黄豆经食品加工后产生的废渣经脱脂后得到的渣体。一种硫氮掺杂多孔生物炭，所述的硫氮掺杂多孔生物炭采用本专利技术所述的制备方法制备得到。可选的，所述的硫氮掺杂多孔生物炭中，氮元素掺杂量为4.56at.％，硫元素掺杂量为10.73at.％，其中吡咯氮占氮元素掺杂量的0.54％，石墨氮占氮元素掺杂量的1.3％。所述的硫氮掺杂多孔生物炭用于吸附水中重金属离子的应用；所述的重金属离子为铜离子、镍离子和或/铅离子，对Cu2+吸附量可达1366.67mg/g,对Ni2+吸附量可达1250.21mg/g,对Pb2+吸附量可达619.23mg/g。一种生物炭-金属纳米颗粒复合催化剂，所述的生物炭为本专利技术所述的硫氮掺杂多孔生物炭。可选的，所述的硫氮掺杂多孔生物炭在吸附重金属铜离子和/或镍离子之后经过硼氢化钠进行原位还原，即得生物炭-金属纳米颗粒复合催化剂；所述的生物炭-金属纳米颗粒复合催化剂用于催化降解镉离子或亚甲基蓝。可选的，所述的生物炭-金属纳米颗粒复合催化剂对水体中亚甲基蓝催化降解的条件包括：生物炭-金属纳米颗粒复合催化剂＝50mg/L,过硫酸钾＝0.10g/L,T＝25℃；所述生物炭-金属纳米颗粒复合催化剂对水体中高价铬离子催化降解的条件包括：生物炭-金属纳米颗粒复合催化剂＝50mg/L,T＝25℃,甲酸＝0.1M。由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：(1)操作方法简单。本专利技术提供的硫氮掺杂多孔生物炭的制备方法制备方法简单，不需要添加其他化学物质或有机溶剂，制备过程环境友好，且不需要复杂的化学反应、特殊设备和严酷反应条件。其作用条件温和、无二次污染。(2)高选择性。本专利技术提供的硫氮掺杂多孔生物炭结构为多孔海绵状，且具有较高的氮硫掺杂量，因而具有较高的重金属离子选择吸附能力，尤其对重金属铜和镍具有较强的选择性。(3)高吸附性。本专利技术提供的硫氮掺杂多孔生物炭对重金属离子铜、镍、铅具有优异的吸附能力。(4)低成本。该专利技术所用试剂硫酸钙，草酸钾，以及以食品废料脱脂大豆豆渣作为碳源所得氮硫掺杂多孔生物炭成本低($0.041/g)，适用于工业化生产和实际应用。(5)进一步重金属的回收利用。本专利技术所得氮硫掺杂多孔生物炭在吸附重金属后可经过硼氢化钠进行原位还原，烘干所得产物可作为生物炭-金属纳米颗粒复合催化剂，并应用于水溶液中污染物的催化降解。附图说明图1为本专利技术的硫氮掺杂多孔生物炭的电镜图；a为大豆豆渣800℃烧结后的不同放大倍数的电镜图，b为掺杂硫酸钙和草酸钾后600℃烧结后的不同放大倍数的电镜图，c为掺杂硫酸钙和草酸钾后700℃烧结后的不同放大倍数的电镜图，d为掺杂硫酸钙和草酸钾后800℃烧结后的不同放大倍数的电镜图；图2为实施例2的结果图；图3为实施例3的结果图；图4为实施例4的结果图；图5为实施例5的结果图；以下结合说明书附图和具体实施方式对本专利技术做具体说明。具体实施方式经研究证明，大豆中有一部分营养成分残留在豆渣中，一般豆渣含水份85％，蛋白质3.0％，脂肪0.5％，碳水化合物(纤维素、多糖等)8.0％，此外，还含有钙、磷、铁等矿物质。将豆渣回收并利用是满足循环经济、变废为宝的处理处置方法。目前，将豆渣应用于重金属吸附剂的研究主要集中于直接使用或经过物理或化学方法进行表明处理来对其改性，使得生物炭具有更好的孔隙结构，更大的比表面积和更多的官能团来提升吸附性能。然而，直接使用豆渣由于功能基团的缺失和比表面积的不足往往导致较低的重金属吸附量，抑制其在实际废水处理中的应用。因此，借助有效的物理改性或化学改性(酸碱氧化，有机物和无机物负载)进行表面处理可有效增强其作为一种低成本且具有环境效益的新型生物吸附剂方面的研究意义。然而该类方法主要面临合成成本高、无法大规模制备以及仅限于实验室操作等缺陷。因此开发一种简便，低成本且可大规模合成的生物吸附剂的方法显得尤为重要。本专利技术制备的生物炭与传统生物炭相比，具有较高的重金属离子选择性吸附能力，并且吸附能力相比一般生物炭性能优异，是一种低成本、高效率处理重金属废水的环境友好型吸附剂。该生物炭在吸附重金属后可通过还原处理可进一步用于水中污染物的催化降解，并可循环多次使用，实现重金属的回收应用，适合应用于实际污水处理。本专利技术的工作原理为：将硫酸钙作硬模板，草酸钾作活化剂，以豆类纤维作为碳源进行高温煅烧条件下得到杂原子掺杂的生物炭。最好的，豆类纤维选用食品废料脱脂大豆豆渣，由于大豆豆渣本身的具有蛋白质等含氮物质，并且高温加热条件下硫酸钙高温分解产生的SO2气体氛围，使得所得生物炭具有较高的氮硫掺杂量，同时产生致密的多孔结构。根据Lewis酸碱理论，由于含硫物质可作为Lewis碱，可与Lewis酸特性的重金属发生特异性结合，并且对于不同的重金属具有不同的结合能力，从而使得该氮硫掺杂的多孔生物炭具有较好的金属离子选择性吸附能力。同时由于其较大的比表面积和表面的含氧基团作用，使得该生物炭对重金属铜、镍、铅具有较高的吸附能力。进一步的，将吸附重金属后的生物炭通过硼氢化钠进行原位还原，所得产物可作为生物炭-金属纳米颗粒复合催化剂进一步应用于水溶液中污染物的催化降解，可用于水中污染物的催化降解，并可循环多次使用，实现重金属的回收应用，适合应用于实际污水处理。具体的制备过程包括，硫酸钙，草酸钾和脱脂大豆豆渣以质量比为1:1:1比例进行混合，煅烧条件为：氩气条件下以5℃/min升温速度升温至800℃，加热时间1h，并自然冷却至室温，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硫氮掺杂多孔生物炭的制备方法，其特征在于，制备原料包括模板、活化剂和碳源，制备方法采用煅烧；所述的碳源为豆类纤维。

【技术特征摘要】
1.一种硫氮掺杂多孔生物炭的制备方法，其特征在于，制备原料包括模板、活化剂和碳源，制备方法采用煅烧；所述的碳源为豆类纤维。2.根据权利要求1所述的硫氮掺杂多孔生物炭的制备方法，其特征在于，所述的模板为硫酸钙，所述的活化剂为草酸钾；模板、活化剂和碳源的质量比是1:1:1。3.根据权利要求1或2所述的硫氮掺杂多孔生物炭的制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度为800℃，时间为1h。4.根据权利要求1或2所述的硫氮掺杂多孔生物炭的制备方法，其特征在于，所述的豆类纤维包括黄豆豆渣，黄豆豆渣为黄豆经食品加工后产生的废渣经脱脂后得到的渣体。5.一种硫氮掺杂多孔生物炭，其特征在于，所述的硫氮掺杂多孔生物炭采用权利要求1-4任一权利要求所述的制备方法制备得到。6.根据权利要求5所述的硫氮掺杂多孔生物炭，其特征在于，所述的硫氮掺杂多孔生物炭中，氮元素掺杂量为4.56at.％，硫元素掺杂量为10.73at.％，其中吡咯氮占氮元素掺杂量的0.54％，石墨氮占氮元素掺杂量的1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建龙，王靖，杨庆锋，杨伟霞，张亮，张天树，张道宏，李忠宏，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61