硅锰改性生物炭复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供硅锰改性生物炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)将洗净晾干的玉米秸秆(BM)破碎并研磨成粉末，过100目筛(0.154mm)，保存于广口瓶中密封备用；2)将步骤1)制备的BM粉末悬浮分散在硅酸钠溶液中，常温搅拌12h；抽滤，将固体洗至中性，烘干，研磨后得到硅处理过的Si‑BM；3)将步骤2)制备的Si‑BM悬浮分散在锰的盐溶液中，常温搅拌1h；再缓慢滴加氢氧化钠溶液使锰的氢氧化物悬浮胶体析出，至pH为8～9时停止滴加，常温搅拌；抽滤，将固体洗至中性，烘干，制得Si/Mn‑BM；4)将步骤4)制备的Si/Mn‑BM于真空管式高温烧结炉中，在N2气氛下高温裂解2h，冷却至室温后进行研磨过筛，制得改性生物炭Si/Mn‑BC。本发明专利技术提供的改性生物炭制备工艺简单，吸附力强。

【技术实现步骤摘要】
硅锰改性生物炭复合材料的制备方法
本专利技术涉及环境功能材料和水处理
，尤其涉及一种硅锰改性生物炭复合材料的制备方法。
技术介绍
生物炭是由废弃的生物质(农业或海洋废弃物)在限氧条件下高温热解而成的固态多孔碳质材料。生物炭表面有大量的羧基、羟基等活性官能团，对重金属离子有较强的表面络合及离子交换能力。然而，由于木质纤维素固有特性的限制以及热解温度等因素的影响，由生物质直接制备的原始生物炭的表面积和孔隙率较低，从而限制了有效吸附位点的数量和电子转移的能力。研究发现，生物炭与其他物质结合制成的复合材料吸附效果远远大于单一生物炭的吸附效果，因此，对生物炭材料的改性研究应运而生。目前，对生物炭材料的改性研究大概分为以下几大类：1)铁锰氧化物改性生物炭复合材料将玉米秸秆置于600℃的马弗炉中，在N2氛围下裂解2h生成原始生物炭。将5g生物炭浸泡在40mL0.24M的KMnO4和40mL0.18M的Fe(NO3)3溶液中，超声分散2h，在95℃水浴下干燥22h，最后在600℃马弗炉中，在氮气氛下裂解0.5h，之后清洗，干燥，得到Fe:Mn:BC的质量比为1:3:32的铁锰二元氧化物改性的生物炭复合材料。该铁锰改性生物炭的制备技术步骤繁多，工艺复杂，且吸附达到平衡时需要的时间较长，限制了其在实际工程中的应用2)纳米零价铁改性富硅生物炭将稻草研磨过筛后，分别将其放入300、500和700℃的马弗炉中，在氮气气氛下热解2h，待冷却至室温后，将这些生物炭在1.0mol/LHCl溶液(S:V＝1:25)中处理4h并离心除去上清液。最后用蒸馏水冲洗生物炭，直至pH稳定后在80℃烘箱中烘干，分别记为RS300、RS500和RS700。同时，为了除去不溶性氧化硅，取酸处理后的1.0gRS700生物炭放入25mL1.0mol/LHF溶液中搅拌24h，离心除去上清液。然后用蒸馏水洗涤样品以除去可溶性盐，残余酸和硅，直至pH稳定。最后，将样品过0.154mm筛，记为RS700(-Si)。纳米零价铁改性生物炭：首先，将1.0g硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)和0.05g生物炭(RS300，RS500，RS700和RS700(-Si))加入到50mL蒸馏水中(溶液pH调节至4.0)，在振荡器上以150rpm和25℃振荡24h。然后，将溶液转移到含有50mL乙醇的三颈烧瓶中，在强烈搅拌下将N2吹入溶液中1h以排除溶解的O2。接着，在剧烈搅拌下将100mL0.5mol/LKBH4溶液(约5mL/min)滴加到上述溶液中，使反应进行0.5h。然后用磁铁从液相中分离负载有纳米零价铁的生物炭样品。最后，将分离的固体用200mL乙醇洗涤三次，最后真空干燥。该生物炭中的硅颗粒主要作为纳米零价铁的载体，增强了对水溶液中Cr(VI)的去除。3)热解法一步制备生物炭负载纳米零价铁复合材料首先将玉米秸秆用去离子水洗净烘干，然后用粉碎机对其进行研磨并过100目筛。将0.405gFeCl3·6H2O溶于40mL去离子水中，加入1g秸秆粉末并于室温下搅拌24h。将上述混合物放入80℃烘箱中3d，得到Fe(III)浸渍的秸秆粉末。然后将得到的Fe(III)浸渍的秸秆粉末置于管式炉中，在通入氮气气氛下(80mL/min)，以5℃/min的速率升温至800℃，保持2h，在管式炉中自然冷却至室温，得到生物炭负载纳米零价铁材料。制得的生物炭复合材料投加量为1.0g/L时，Se(IV)的去除率可以达到90％以上。第2、3类中制备的都是磁性生物炭，在静态吸附过程需在反应器周围设置磁铁，但是在工业化应用中，强大的磁场会干扰周边仪器的正常运行，并且吸附剂磁化过程大多使用Fe3O4、γ-Fe2O3等物质，这些物质会占用活性吸附位点，使吸附容量降低。4)氢氧化钠活化改性生物炭准确称取6.0g生物炭，并在充分搅拌下于100mLNaOH水溶液(2mol/L)中浸渍处理5.0h，过滤后的滤饼于105℃干燥24h，再在管式烧结炉中于0.01MPa氮气氛围中热解。升温速度为5℃/min，达设定温度后保温2.0h。热解后的生物炭材料用去离子水和稀盐酸充分洗涤至中性，以除去可溶性无机盐，之后过滤并烘干。该方法中使用NaOH进行活化处理，后续处理操作复杂，且腐蚀性大，温度要求高，在操作过程中存在一定的安全风险。5)MnO2-SiO2复合树脂吸附剂采用溶胶-凝胶法制MnO2-SiO2复合树脂。通过将19.7gKMnO4与1.2LHCl(37％)和1.25L水玻璃混合制备溶液1。通过将1LMnCl2·4H2O(3％)与200mL的HCl(37％)和1.25L的水混合来制备溶液2。将溶液1和2混合，搅拌2h并静置过夜。将混合液过滤，沉淀物用去离子水洗涤，直至洗涤水检测不到氯化物。之后将滤饼在60℃下干燥24h，后过筛。该方法制备的MnO2-SiO2复合树脂吸附剂在吸附过程中会受到氧化性物质的氧化，而且热稳定性差，使用效果下降。鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种硅锰改性生物炭复合材料的制备方法，利用“一步烧结法”对生物炭进行改性，该制备方法工艺简单，生产效率高，生产成本低，适合大规模地生产和使用。具体的，本专利技术采用如下技术方案，一种硅锰改性生物炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)将洗净晾干的玉米秸秆(BM)破碎并研磨成粉末，过100目筛(0.154mm)，保存于广口瓶中密封备用；2)将步骤1)制备的BM粉末悬浮分散在硅酸钠溶液中，常温搅拌12h，使硅酸钠充分负载至玉米秸秆上；抽滤，将固体洗至中性，于真空干燥箱中80℃烘干，研磨后得到硅处理过的玉米秸秆(Si-BM)；3)将步骤2)制备的Si-BM悬浮分散在锰的盐溶液中，常温搅拌1h；再缓慢滴加0.2mol/L的氢氧化钠溶液使锰的氢氧化物悬浮胶体析出，至pH为8～9时停止滴加，常温搅拌直至静置后不出现分层；抽滤，将固体洗至中性，于真空干燥箱中80℃烘干，制得硅锰处理过的玉米秸秆(Si/Mn-BM)；4)将步骤4)制备的Si/Mn-BM于真空管式高温烧结炉中，在N2气氛下以2～3℃/min的速率升温至400～600℃裂解2h，冷却至室温后进行研磨过筛，制得硅锰改性的生物炭复合材料(Si/Mn-BC)。优选的，所述步骤2)中BM粉末与硅酸钠的质量比为(4～6):1，硅酸钠溶液的浓度为0.1～0.15mol/L。优选的，所述步骤3)中Si-BM与锰的氢氧化物悬浮胶体的质量比为(4～6):1，锰的盐溶液的浓度为0.018～0.02mol/L。优选的，所述步骤4)制得的硅锰改性的生物炭复合材料的目数为50～100目。本专利技术中硅锰改性生物炭复合材料的制备过程中用到的原料、仪器无特殊说明，均可从市面购得。本专利技术的另一目的在于提供一种利用上述的硅锰改性生物炭复合材料的制备方法制备得到的硅锰改性生物炭复合材料。本专利技术的又一目的在于提供一种上述的硅锰改性生物炭复合材料在吸附水体中重金属离子的应用。与现有技术相比，本专利技术提供的硅锰改性生物炭复合材料的制备工艺简单，不仅提高了生产效率，而且降低了生产成本；所用到的其他的原辅试剂均无毒无害，属于环境友好型产品；利用硅和锰改性生物炭，提供了较强的阳离子置换能力和强化了生物炭的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅锰改性生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将洗净晾干的玉米秸秆BM破碎并研磨成粉末，过100目筛，保存于广口瓶中密封备用；2)将步骤1)制备的BM粉末悬浮分散在硅酸钠溶液中，常温搅拌12h，使硅酸钠充分负载至玉米秸秆上；抽滤，将固体洗至中性，于真空干燥箱中80℃烘干，研磨后得到硅处理过的玉米秸秆Si‑BM；3)将步骤2)制备的Si‑BM悬浮分散在锰的盐溶液中，常温搅拌1h；再缓慢滴加0.2mol/L的氢氧化钠溶液使锰的氢氧化物悬浮胶体析出，至pH为8～9时停止滴加，常温搅拌直至静置后不出现分层；抽滤，将固体洗至中性，于真空干燥箱中80℃烘干，制得硅锰处理过的玉米秸秆Si/Mn‑BM；4)将步骤4)制备的Si/Mn‑BM于真空管式高温烧结炉中，在N2气氛下以2～3℃/min的速率升温至400～600℃裂解2h，冷却至室温后进行研磨过筛，制得硅锰改性的生物炭复合材料Si/Mn‑BC。

【技术特征摘要】
1.一种硅锰改性生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将洗净晾干的玉米秸秆BM破碎并研磨成粉末，过100目筛，保存于广口瓶中密封备用；2)将步骤1)制备的BM粉末悬浮分散在硅酸钠溶液中，常温搅拌12h，使硅酸钠充分负载至玉米秸秆上；抽滤，将固体洗至中性，于真空干燥箱中80℃烘干，研磨后得到硅处理过的玉米秸秆Si-BM；3)将步骤2)制备的Si-BM悬浮分散在锰的盐溶液中，常温搅拌1h；再缓慢滴加0.2mol/L的氢氧化钠溶液使锰的氢氧化物悬浮胶体析出，至pH为8～9时停止滴加，常温搅拌直至静置后不出现分层；抽滤，将固体洗至中性，于真空干燥箱中80℃烘干，制得硅锰处理过的玉米秸秆Si/Mn-BM；4)将步骤4)制备的Si/Mn-BM于真空管式高温烧结炉中，在N2气氛下以2～3℃/min的速率升温至400～600℃裂解2h，冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘娟，杨晓宇，程婉艺，刘鸿浩，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37