用于吸附废水中镉离子的改性生物炭的制备方法及其应用技术

本发明专利技术属于生物质应用技术领域，具体涉及一种用于吸附废水中镉离子的改性生物炭的制备方法及其应用。该方法对锯末生物质进行前处理后使用NaOH溶液进行活化，然后再通过混合盐盐封进行隔氧热解制备出生物炭。本发明专利技术采用混合盐盐封生物质进行隔氧热解，减少N

Preparation and application of modified biochar for adsorption of cadmium in Wastewater

【技术实现步骤摘要】
用于吸附废水中镉离子的改性生物炭的制备方法及其应用
本专利技术属于生物质应用
，具体涉及一种用于吸附废水中镉离子的改性生物炭的制备方法及其应用。
技术介绍
随着我国工业化和城市化进程的不断加快，近年来我国重金属环境污染呈现出愈演愈烈的趋势，一些工业化城市的土壤及水体重金属污染尤为明显，其中镉的点位超标率最高，被确定为中国土壤和水体污染的首要污染物。而且镉是废水中常见的重金属，其污染主要来源于采矿、冶金、化工、电镀等行业和以石油、煤类为主的工业，同时也是一些电子、炼锌等产业的副产物，在生产后随废液流入环境中，已导致土壤、地表水及地下水污染，并且危害人类健康。镉作为生物毒性强的重金属元素之一，由于其化学活性强、毒性持久，不能被生物降解且能够通过食物链富集进入人体，可能引起致癌、致畸和致突变，对人体健康造成潜在危害。生物炭是废弃生物质资源化利用的一种方式，因其原料价廉易得、高效的吸附性能等优点在污染治理领域受到关注。但是生物炭是一种粗犷的富碳材料，具有较为复杂的物化性质，难以有较为突出的化学功能性质，这使得其在环境应用中受到一定的局限性。生物炭作为生物质能原料裂解之后的副产物，其产量和吸附性能会受到温度、热解方式、热解时间等多方面因素的影响。目前现有的制备生物炭的方法需要在特制管式炉中通入N2排出氧气进行高温热解，热解及降温冷却过程需要消耗大量的N2，热解成本较高；而且有些操作方法操作麻烦，热解程序设定复杂，有些还会引入新的试剂，产生副产物，不利于环境保护；而且生物炭在特制管式炉中热解后，会产生大量焦油等副产物，在热解完成取出生物炭时操作麻烦，需要对管式炉进行定期清洗维护，不适用于大批量生产。因此需要寻找一种高效、安全、操作方便以及环境友好的生物炭改性方法，来获得更高的环境应用价值的炭材料，进一步提高材料对重金属的吸附效果，实现经济高效的重金属污染治理。
技术实现思路
针对目前制备的生物炭吸附废水中镉离子存在的缺陷和问题，本专利技术提供一种具有强吸附性能的吸附废水中镉离子的改性生物炭的制备方法及其应用。本专利技术解决其技术问题所采用的方案是：一种用于吸附废水中镉离子的改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：第一步、将锯末生物质破碎、筛分后，取60-80目的锯末生物质用去离子水洗涤3-5次，然后在50-70℃条件下干燥，备用；第二步、将锯末生物质在NaOH溶液中充分浸泡24h进行活化，过滤，用去离子水充分洗涤至滤液pH恒定，干燥箱中干燥备用；第三步、将NaOH活化后的锯末生物质放入坩埚中，在锯末生物质上完全覆盖KCl和NaCl的混合盐，盖上坩埚盖子放入马弗炉中，以10℃/min的升温速率升温至550℃，在550℃条件下定时热解3h，热解后将坩埚冷却取出，分离得到改性生物炭。上述的一种用于吸附废水中镉离子的改性生物炭的制备方法，所述KCl和NaCl比例为1:1。上述的一种用于吸附废水中镉离子的改性生物炭的制备方法，所述NaOH溶液浓度为2mol/L。上述的一种用于吸附废水中镉离子的改性生物炭的制备方法，第二步中所述生物质与NaOH溶液的比例为生物质质量和NaOH溶液体积比为1:10。上述的一种用于吸附废水中镉离子的改性生物炭的制备方法，第三步中将NaOH活化后的锯末生物质放入坩埚中，在生物质表面覆盖铁丝网，在铁丝网上铺加一层石英棉，然后无缝隙铺满KCl和NaCl的混合盐。上述的一种用于吸附废水中镉离子的改性生物炭的制备方法，所述锯末为白杨锯末。通过本专利技术的制备方法制备的改性生物炭可以用于吸附废水中镉离子。当废水溶液的pH为4-7时，对镉离子的吸附效果最好。本专利技术的有益效果：1、本专利技术制备生物炭的方法采用混合盐盐封生物质隔氧热解，不需要持续通入N2进行高温热解，减少了热解过程中隔氧操作的实验成本，且生产过程中几乎不会产生焦油等副产物，是一种环保的热解方式。2、采用本专利技术方法制备的生物炭具有较大的生物炭比表面积，具有99％微孔的中孔结构，更有利于吸附废水中镉离子。3、采用本专利技术方法制备的生物炭，在吸附试验进行10min左右即可达到吸附平衡，大大缩短吸附所需时间，显著提高了吸附效率。4、采用本专利技术方法制的生物炭的最大吸附量约为216.2mg/g，吸附量大，可以减少废水吸附过程中吸附剂的用量，节约废水中镉离子的处理成本。附图说明图1为本专利技术制备生物炭的热解示意图；图中①为马弗炉；②为坩埚；③为NaCl和KCl混合盐；④为石英棉；⑤为铁丝网；⑥为NaOH活化锯末。图2为本专利技术制得的生物炭的SEM图；图中(a)为BC550；(b)为A-BC550；图3为吸附平衡时生物炭的SEM图；图中(c)(d)为吸附平衡时的A-BC550结构表征。图4为生物炭N2吸附解吸曲线。图5为吸附反应前、后BC550和A-BC550的FTIR对比图；其中(a)为吸附反应前BC550和A-BC550的FTIR对比；其中(b)为吸附反应后BC550和A-BC550的FTIR对比。图6为A-BC550与BC550吸附前C1s图；其中(a)A-BC550吸附前C1s图；(b)BC550吸附前C1s图。图7为A-BC550与BC550吸附前O1s图；其中(c)A-BC550吸附前O1s图；(d)BC550吸附前O1s图。图8为A-BC550吸附后Cd3d图。图9为A-BC550吸附后O1s图。图10为A-BC550吸附前、后的XPS总图。图11为生物炭接触角的测定结果图；其中(a)为BC550，(b)为A-BC550。图12为A-BC550与BC550生物炭零电荷点(pHpzc)的测定结果图。图13为BC550和A-BC550吸附动力学对比图。图14为pH对BC550和A-BC550的吸附效果影响结果图。图15为A-BC550与BC550吸附等温线拟合及置信区间。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。实施例1：本实施例提供一种用于吸附废水中镉离子的改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：第一步、前处理：将锯末生物质破碎、筛分后，取60-80目的锯末生物质用去离子水洗涤3-5次，然后在50-70℃条件下干燥，备用。第二步、NaOH活化生物质：称取40.0gNaOH固体，用500mL容量瓶配制成2mol/L的NaOH溶液。按照生物质质量和NaOH溶液体积比为1:10的比例，将生物质在室温条件下充分浸泡24h，过滤，去离子水充分洗涤至过滤液pH恒定，干燥箱中干燥待用。第三步、制备NaOH活化生物炭：将NaOH活化生物质置于550℃马弗炉中，见图1，隔绝氧气热解3h制备得到NaOH活化生物炭。具体操作为：称量热解所需坩埚和坩埚盖的质量，记为m1；然后加入坩埚体积2/3的生物质，称量坩埚+坩埚盖+生物质的质量，记为m2；在生物质表面覆盖铁丝网，铁丝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于吸附废水中镉离子的改性生物炭的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：/n第一步、将锯末生物质破碎、筛分后，取60-80目的锯末生物质用去离子水洗涤3-5次，然后在50-70℃条件下干燥，备用；/n第二步、将锯末生物质在NaOH溶液中充分浸泡24h进行活化，过滤，用去离子水充分洗涤至滤液pH恒定，干燥箱中干燥备用；/n第三步、将NaOH活化后的锯末生物质放入坩埚中，在锯末生物质上完全覆盖KCl和NaCl的混合盐，盖上坩埚盖子放入马弗炉中，以10℃/min 的升温速率升温至550℃，然后在550℃条件下定时热解3h，热解后将坩埚冷却取出，制备得到生物炭。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于吸附废水中镉离子的改性生物炭的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步、将锯末生物质破碎、筛分后，取60-80目的锯末生物质用去离子水洗涤3-5次，然后在50-70℃条件下干燥，备用；
第二步、将锯末生物质在NaOH溶液中充分浸泡24h进行活化，过滤，用去离子水充分洗涤至滤液pH恒定，干燥箱中干燥备用；
第三步、将NaOH活化后的锯末生物质放入坩埚中，在锯末生物质上完全覆盖KCl和NaCl的混合盐，盖上坩埚盖子放入马弗炉中，以10℃/min的升温速率升温至550℃，然后在550℃条件下定时热解3h，热解后将坩埚冷却取出，制备得到生物炭。


2.根据权利要求1所述的一种用于吸附废水中镉离子的改性生物炭的制备方法，其特征在于：所述KCl和NaCl比例为1:1。


3.根据权利要求1所述的一种用于吸附废水中镉离子的改性生物炭的制备方法，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鑫，陈贞瑜，王燕，景一鸣，孟祥君，陈治华，曹治国，周建国，张永晖，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南;41