一种竹基生物炭除磷吸附剂的制备方法及其应用技术

本发明专利技术属于吸附材料技术领域，具体涉及一种竹基生物炭除磷吸附剂的制备方法及其应用。所述制备方法，包括以下步骤：S1：将竹子粉碎成竹屑，然后加入乙酸溶液浸泡，并过滤和干燥；S2：将干燥好的竹屑与海水充分混合搅拌后用水洗涤和过滤，直至滤液中无氯离子存在，然后干燥，最后置于管式炉中并于惰性气氛下高温煅烧，获得竹基生物炭除磷吸附剂。本发明专利技术采用简易的方法制备的吸附剂负载有高含量的CaO和MgO，具有高比表面积和高饱和吸附量，对磷具有极高去除率。

Preparation and application of a bamboo based biochar adsorbent for phosphorus removal

【技术实现步骤摘要】
一种竹基生物炭除磷吸附剂的制备方法及其应用
本专利技术属于吸附材料
，具体涉及一种竹基生物炭除磷吸附剂的制备方法及其应用。
技术介绍
随着经济社会的快速发展，工业污染越来越严重，水体富营养化已成为非常严重的水污染问题之一，严重影响水中生物种群的生长以及环境美观性，为了遏制水体进一步富营养化污染，需要控制生活污水、工业废水及初期雨水等外源磷的流入及内源磷的释放，并利用吸附材料对水体和湿地中的磷进行有效去除。目前，常用的除磷方法有化学除磷法、生物除磷法以及吸附除磷法。其中化学除磷法是通过凝聚沉降或用化学药剂除磷，例如可以利用各种阳离子类絮凝处理剂(例如铁、铝和钙的聚合体或复合物)与水体中以磷酸盐形式存在的磷结合生成不溶性沉淀物而沉降下来。化学除磷法需要大量的化学药剂，不但处理成本高，而且化学药剂的使用还会造成二次污染的问题。该方法对于高浓度磷废水的处理能力有限，且处理过程中会产生大量污泥。生物除磷法是通过水生生物吸收利用氮、磷元素进行代谢活动以去除水体中氮、磷营养物质的方法。水生植物净化水体主要是依靠大型水生植物，通过植物和根区微生物共生来产生协同效应并净化污水，起到除磷的效果。但是生物除磷法具有工艺基建投资较大、运行稳定性差等缺点。当废水中磷含量较高时，出水很难满足磷的排放标准，此时，往往还需要对出水进行二次除磷处理。而吸附法能有效去除低浓度的特定污染物，具有高效低耗等优点，特别适用于废水中磷的有效去除，从一定程度上弥补了以上方法的不足；天然除磷吸附剂包括沸石、膨润土、蒙脱土和蛭石等粘土矿物；人工合成的除磷吸附剂中，活性氧化铝最为常见。常用的除磷材料中，低成本的天然吸附材料通常对磷的吸附容量较小，而具有较高吸附容量的人工合成吸附材料的成本往往过高，从而限制了除磷吸附材料的推广应用。因此，研究开发低成本且吸附性能优异的新型吸附材料是目前技术开发热点。我国竹资源丰富，竹产品量大，因此竹材加工剩余物料多，采用这种类型的材料做出多孔的竹炭，不仅价廉，而且有节能减排的作用。目前竹炭常用于有害气体吸附，如汽车或房屋内的甲醛吸附等，但其经济价值有限，在污水处理领域的实际运用较少，原因在于竹炭在污水中只能以物理吸附的方式与污染物结合，吸附容量低且选择性差。
技术实现思路
本专利技术针对现有除磷方法的不足，提供一种竹基生物炭除磷吸附剂的制备方法，该制备方法简便且成本低，获得的吸附剂具有优异的除磷效果。本专利技术的一个目的通过以下技术方案来实现：一种竹基生物炭除磷吸附剂的制备方法，包括以下步骤：S1：将竹子粉碎成竹屑，然后加入乙酸溶液浸泡，过滤、干燥；S2：将干燥好的竹屑与海水混合搅拌，用水洗涤、过滤，直至滤液中无氯离子存在，然后干燥，最后置于管式炉中并于惰性气氛下高温煅烧，获得竹基生物炭除磷吸附剂。CaO和MgO能与磷酸阴离子反应，生成如Ca3(PO4)2、CaHPO4和Mg3(PO4)2等稳定化合物，可有效去除废水中的磷。但是CaO和MgO往往以粉末形式存在，颗粒尺寸较小，实际应用时固液分离成为技术难点；因而，通常会将CaO和MgO负载在一定的材料上，吸收磷后就可以有效回收。如果直接以钙和镁的盐酸盐或者硝酸盐作为原料制备成吸附剂，会大大增加生产成本。海水中含有丰富的钙和镁资源，主要以氯化镁和氯化钙形式存在，本专利技术将乙酸修饰后的竹屑浸泡于海水中，获取海水中的钙离子和镁离子，通过普通干燥和高温煅烧将钙离子和镁离子转化为CaO和MgO，大大降低了原料成本。普通的竹屑表面缺乏足够的活性点位与钙镁离子进行有效吸附，本专利技术将竹屑浸泡于乙酸溶液中，在竹屑表面键合羧酸基团，通过离子交换，使钙和镁被吸附在竹屑表面。海水中还含有大量的钠离子，与钙镁离子会形成竞争吸附，普通酸根离子与钠离子具有较强的结合性，会优先吸附海水中的钠离子，从而降低钙镁离子的吸附量；而醋酸根离子与钙镁的结合性强于钠离子，本专利技术采用乙酸溶液浸泡竹屑，可有效提高钙镁吸附量。竹子经过高温煅烧后会形成多孔的生物炭，具有高比表面积，对磷的物理吸附性较好；在竹基生物炭上键合CaO和MgO，通过CaO和MgO活性位点与废水中各种阴离子形式存在的磷发生化学吸附。因此，本专利技术研制的竹基生物炭吸附剂通过物理吸附和化学吸附有效去除废水中的磷。海水在使用前先通过过滤去除其中固体杂质，可采用孔径为0.45μm或0.22μm的微孔滤膜过滤。竹子优先粉碎成粒径≤1.5mm的竹屑，粒径较小的竹屑比表面积大、活性位点增多，能在表面键合更多的羧酸基团以及钙镁离子。作为优选，每克竹屑中乙酸溶液的加入量为0.1-0.5L，浸泡2-10h。作为优选，乙酸溶液中乙酸的浓度为0.1-0.5mol/L。乙酸含量在一定范围内，加入量越多，竹屑表面结合的醋酸根离子越多，但是竹屑表面结合位点有限，当乙酸含量增加到一定高位值后再增加乙酸，竹屑表面结合的醋酸根离子不会再增多。作为优选，乙酸溶液是乙酸和水的混合液，或乙酸、乙醇和水的混合液，乙醇与水的体积比为(2-4)：1。进一步优选，乙酸溶液为乙酸、乙醇和水的混合液，乙醇与水的体积比为(2-4)：1。竹屑在乙酸溶液中的浸润性较差，实验发现通过在乙酸溶液中添加一定量的乙醇，可以改善竹屑与乙酸的浸润性，提高竹屑与醋酸根离子的结合力和结合量。作为优选，步骤S1中干燥温度为80-120℃，经过步骤S1的干燥去除水分，步骤S2中干燥温度为160-200℃，吸附在竹屑上的Ca2+和Mg2+在此温度下转化为CaCO3和MgCO3。作为优选，步骤S2每克干燥好的竹屑中海水加入量为0.5-2.0L，搅拌8-15h。作为优选，所述高温煅烧温度为650-950℃，煅烧时间30-180min。通过高温煅烧将竹屑炭化为竹基生物炭，竹屑表面的Ca2+和Mg2+在前面的干燥温度下已经转化为CaCO3和MgCO3，CaCO3和MgCO3在高温煅烧过程分解为CaO和MgO。高温煅烧的温度如果太低，CaCO3和MgCO3分解为CaO和MgO的量太少，竹屑也不能完全转化为竹基生物炭，生物炭孔隙结构不发达；而温度过高，大量CaCO3和MgCO3分解带来的体积效应使得生物炭孔隙崩塌，而且竹屑的过度炭化，使得颗粒粘结，多孔炭气孔封闭、微孔和介孔消失，吸附性能也随之下降。作为优选，所述高温煅烧温度为850℃，煅烧时间30-60min。在该煅烧温度下，键合的CaCO3和MgCO3分解量较优，吸附剂孔隙结构较好，吸附剂的除磷效果优异。所述惰性气氛为氩气、氮气等。本专利技术的另一个目的通过以下技术方案来实现：如上述制备方法获得的竹基生物炭除磷吸附剂在含磷废水处理中的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1、本专利技术采用竹子、海水作为制备原料，大大降低了吸附剂的制备成本；2、本专利技术采用乙酸改性竹屑，提高竹屑负载钙镁离子的能力，并采用乙醇提高竹屑对乙酸的浸润性，从而提高竹屑结合乙酸的能力。3、本专利技术采用简易方法制备的竹基生物炭吸附剂负载有高含量的C本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种竹基生物炭除磷吸附剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：/nS1：将竹子粉碎成竹屑，然后加入乙酸溶液浸泡，过滤、干燥；/nS2：将干燥好的竹屑与海水混合搅拌，用水洗涤、过滤，直至滤液中无氯离子存在，然后干燥，最后置于管式炉中并于惰性气氛下高温煅烧，获得竹基生物炭除磷吸附剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种竹基生物炭除磷吸附剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1：将竹子粉碎成竹屑，然后加入乙酸溶液浸泡，过滤、干燥；
S2：将干燥好的竹屑与海水混合搅拌，用水洗涤、过滤，直至滤液中无氯离子存在，然后干燥，最后置于管式炉中并于惰性气氛下高温煅烧，获得竹基生物炭除磷吸附剂。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，竹子粉碎成粒径≤1.5mm的竹屑。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，每克竹屑中乙酸溶液的加入量为0.1-0.5L，浸泡2-10h。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，乙酸溶液浓度为0.1-0.5mol/L。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，乙酸溶液为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建荣，郭建兵，肖航，
申请(专利权)人：中国科学院城市环境研究所，中国科学院宁波城市环境观测研究站，
类型：发明
国别省市：福建;35