一种双金属改性磁性生物质活性炭吸附剂及其制备方法与在废水处理上应用技术

本发明专利技术公开了一种双金属改性磁性生物质活性炭吸附剂及其制备方法与在废水处理上应用。以花生壳为原料，引入FeCl3·6H2O和MgCl2·6H2O二元混合体系作为赋磁物质，以CO2作为物理活化剂，通过浸渍和热处理一次性完成活化和磁化步骤，实现磁性活性炭制备过程的简化和磁性活性炭的改性，并将制备的Fe‑Mg双金属磁性生物质活性炭应用于阳离子染料废水处理。本发明专利技术利用生物质农林废弃物处理染料废水，且制备工艺简单、成本低、环境污染小。通过二元体系的引入，形成Fe3O4/MgO复合纳米颗粒，尤其适合用于孔雀石绿染料的吸附处理，且吸附剂易回收，对实际待处理污水的pH要求低，有利于大规模的工业应用。

A Bimetallic Modified Magnetic Biomass Activated Carbon Adsorbent and Its Preparation Method and Application in Wastewater Treatment

【技术实现步骤摘要】
一种双金属改性磁性生物质活性炭吸附剂及其制备方法与在废水处理上应用
本专利技术涉及磁性活性炭制备与吸附领域，具体涉及一种双金属改性磁性生物质活性炭吸附剂及其制备方法与在废水处理上应用。
技术介绍
染料是工业废水中污染最严重的部分，我国每年产生的染料废水超过700,000吨，其中约有1000吨染料废水被排放到水体系统中，对人类健康和水生生物的生长构成巨大威胁。孔雀石绿是一种典型的三苯甲烷类化合物，作为碱性阳离子染料在纺织工业中应用广泛。此外，孔雀石绿还作为抗菌剂和杀寄生虫剂应用在水产养殖业中。由于其致癌、致突变和致畸性，将孔雀石绿排入水体，将威胁水生生物的生长和繁殖，且可造成人体肝、肾和肠的不可逆损伤。用于处理染料废水的技术主要包括物理吸附、化学沉淀、氧化还原、过滤、电解和离子交换等。其中，吸附法以其效果可观、操作简单、无二次污染等优点得到广泛的认可。在吸附剂的选择上，与昂贵且不可再生的氧化石墨烯、碳纳米管和沸石等材料相比，以来源广泛、价格低廉的生物质作为原材料制备活性炭，既可以获得具有良好的结构性质、可观的比表面积和潜在的高表面反应活性的吸附剂，又可以合理利用农林废弃物，达到以废治废的目的。然而，传统的生物质活性炭难以从液相中分离回收和缺乏选择性吸附位点的缺点限制了其在废水处理中的大规模高效应用。因此，磁分离技术被引入活性炭的制备过程，产生了磁性活性炭的概念。磁性活性炭是一种兼具高比表面积和磁性能的多孔碳材料。通过在活性炭表面及内部孔道中负载磁性物质，使分散在液相污染物中的活性炭可以通过外加磁场实现快速聚集并从液相中分离出来。它克服了传统冗长的过滤步骤造成的过滤器堵塞和二次污染的缺点，并实现了从废水中快速有效地去除污染物。磁性活性炭可以通过外部磁场实现快速回收，并且可以在不损失活性位点的情况下重复使用，这对于吸附剂的再生和循环使用具有重要意义。CN108913175A公开了一种基于废弃生物质的磁性活性炭吸附剂及其制备方法与应用。通过引入FeCl3·6H2O作为赋磁物质，CO2作为活化剂，采用浸渍法制备磁性活性炭的前驱体，获得兼具磁性和高吸附能力的磁性活性炭。此工艺步骤简单、成本低廉、获得较为理想的效果，但到目前为止，大多数国内外研究都集中于引入单一组分物质与生物质原料混合，形成在无定形碳骨架上负载单一成分（如Fe2O3，Fe3O4）的磁性生物质活性炭。在保持磁性的前提下，引入二元或多元组分发挥混合组分之间的协同效应，可能对于提高材料的吸附性能甚至创造新的特性具有重要意义。CN108144582A公开了一种制备磁性活性炭的方法及由该方法制备的磁性活性炭。分别取一定质量ZnCl2溶解于水中获得溶液A，取Fe(NO3)3·9H2O和十二烷基三甲基氯化铵溶解在水中水浴30min获得溶液B，采用浸渍法用溶液A、B处理生物质原料，并在压力为10KPa、活化温度为500-600℃条件下活化一段时间。将产物于沸水中煮30min、水洗、过滤、干燥、研磨后获得磁性活性炭。本方法采用ZnCl2为化学活化剂，存在一定的环境污染问题；且制备步骤较为繁琐，获得的磁性活性炭磁力强度不高。综上所述，现有磁性生物质活性炭的制备工艺普遍存在工艺步骤繁琐、制备成本较高、反应物污染环境、磁性和吸附能力不够理想的问题。此外，在生物质形成的碳骨架上负载二元或多元复合磁性纳米颗粒，可能对提高材料的磁性能或形成选择性吸附特性具有重要意义。
技术实现思路
针对现有技术问题，本专利技术的目的在于提供一种双金属改性磁性生物质活性炭吸附剂及其制备方法与在废水处理上应用。将花生壳原料浸渍于FeCl3·6H2O和MgCl2·6H2O的二元混合溶液中制备前驱体，通过在CO2气氛中采用一步法制备Fe-Mg双金属磁性生物质活性炭，在生物质形成的无定形碳骨架上产生Fe3O4/MgO复合纳米颗粒。该方案制备步骤简单，原料及生产工艺成本低廉，采用物理活化法降低了对环境造成的污染。所得活性炭磁性回收效果可观，且MgO纳米颗粒提供了丰富的吸附位点，显著提高了活性炭对孔雀石绿染料的吸附能力。为解决现有技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种双金属改性磁性生物质活性炭吸附剂，以生物质花生壳粉末为原料，引入金属盐与花生壳粉末混合浸渍，所述花生壳粉末、六水合三氯化铁与六水合氯化镁的质量比为2:1:0.25-1.5，所述金属盐由六水合三氯化铁和六水合氯化镁混合而成。作为改进的是，所述花生壳粉末、六水合三氯化铁与六水合氯化镁的质量比为2:1:1.5。上述双金属改性磁性生物质活性炭吸附剂的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将洁净的花生壳粉碎至60-100目花生壳粉，干燥备用；步骤2，分别称取FeCl3·6H2O和MgCl2·6H2O溶于150ml去离子水中，加入花生壳粉，磁力搅拌12h后，抽滤取固体置于105℃烘箱中干燥24h，获得Fe-Mg双金属生物质活性炭的前驱体；步骤3，首先通入CO2脱气30min，称取前驱体固体粉末置于卧式管式炉中，设置活化温度为800℃，在CO2氛围中活化90min，活化结束后将CO2切换为N2，自然冷却获得Fe-Mg双金属生物质活性炭吸附剂。作为改进的是，步骤3中的升温速率为10℃/min，CO2气体流量250mL/min，N2的流量为150mL/min。上述双金属改性磁性生物质活性炭吸附剂在阳离子染料废水的吸附处理上的应用。作为改进的是，所述阳离子染料废水为孔雀石绿，其初始浓度为800mg/L。作为改进的是，所述阳离子染料废水的pH为2-11。有益效果：本专利技术以花生壳为原料，引入FeCl3·6H2O和MgCl2·6H2O二元混合体系作为赋磁物质，以CO2作为物理活化剂，通过浸渍和热处理一次性完成活化和磁化步骤，实现磁性活性炭制备过程的简化和磁性活性炭的改性，并将制备的Fe-Mg双金属磁性生物质活性炭应用于阳离子染料废水处理。与现有技术相比，本专利技术的优势在于以下几点：1.原料来源广泛，成本低廉。在常规活性炭的制备过程中，通常采用酸洗步骤去除灰分。然而磁性活性炭不适用于酸洗去除灰分，其中的Fe3O4或Fe2O3溶解于酸性溶液中将导致材料磁性的丧失。在众多以农林废弃物为代表的生物质资源中，花生壳含有较高的固定碳含量和较低的灰分，是制备磁性活性炭的优良原料；2.制备过程简单，成本低廉，有利于实现大规模的工业应用。制备过程仅包括浸渍和热处理步骤，引入FeCl3·6H2O和MgCl2·6H2O最终通过水解和在CO2氛围下的氧化还原反应生成Fe3O4和MgO纳米颗粒（如图2所示）；引入CO2作为物理活化剂，减少了对环境的污染；3.本专利技术制备方法制备了兼具磁性和高吸附性能的生物质活性炭。在制备过程中，FeCl3·6H2O和MgCl2·6H2O最终通过水解和在CO2氛围下的氧化还原反应生成Fe3O4和MgO纳米颗粒，保证了活性炭的磁性。同时，MgO纳米颗粒具有较高的比表面积和活跃的边缘/角落位点，Mg-OH与孔雀石绿的N原子之间形成的分子间氢键显著提高了Fe-Mg双金属磁性生物质活性碳对孔雀石绿染料的吸附能力。对比同等实验条件下获得的单金属Fe磁性生物质活性炭（对比例1），大量MgO纳米颗粒的存在占据了材料的部分孔隙结构，使材料的比表面积稍有降低，磁力强度有所减弱，但其对含N染本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双金属改性磁性生物质活性炭吸附剂，其特征在于，以生物质花生壳粉末为原料，引入金属盐与花生壳粉末混合浸渍，所述花生壳粉末、六水合三氯化铁与六水合氯化镁的质量比为2:1:0.25‑1.5，所述金属盐由六水合三氯化铁和六水合氯化镁混合而成。

【技术特征摘要】
1.一种双金属改性磁性生物质活性炭吸附剂，其特征在于，以生物质花生壳粉末为原料，引入金属盐与花生壳粉末混合浸渍，所述花生壳粉末、六水合三氯化铁与六水合氯化镁的质量比为2:1:0.25-1.5，所述金属盐由六水合三氯化铁和六水合氯化镁混合而成。2.根据权利要求1所述的一种双金属改性磁性生物质活性炭吸附剂，其特征在于，所述花生壳粉末、六水合三氯化铁与六水合氯化镁的质量比为2:1:1.5。3.根据权利要求1-2任一种双金属改性磁性生物质活性炭吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将洁净的花生壳粉碎至60-100目花生壳粉，干燥备用；步骤2，分别称取FeCl3·6H2O和MgCl2·6H2O溶于150ml去离子水中，加入花生壳粉，磁力搅拌12h后，抽滤取固体置于105℃烘箱中干燥24h，获...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭飞强，李晓蕾，彭旷野，蒋孝晨，赵兴民，郭成龙，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32