一种能高效氧化水中三价砷的骨炭及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种能高效氧化水中三价砷的骨炭及其应用。所述骨炭通过以下步骤制得：将牛骨粉碎至粒径小于0.5cm的颗粒，再将牛骨粉末用水洗净，烘干；将牛骨粉末置于真空管式炉，在氮气或惰性气体保护下升温到500～1100℃，保持1～3小时，制得酸处理前骨炭；将制备的酸处理前骨炭浸泡于酸溶液中，之后用水冲洗至溶液pH不变，最后烘干制得所述能高效氧化水中三价砷的骨炭。本发明专利技术所述骨炭具有超大比表面积(>1000m

【技术实现步骤摘要】
一种能高效氧化水中三价砷的骨炭及其应用
本专利技术涉及一种能高效氧化水中三价砷的骨炭及其应用。
技术介绍
砷(As)是一种有毒的类金属元素，水环境中主要的污染物之一。近几十年来，随着我国城市化和工业化的高速发展，大量含砷的黄铁矿开采和金属冶炼导致砷的排放日趋严重，对地表和地下水安全造成了极大的破坏，最终通过食物链和饮用水对人类健康构成严重危害，尤其是三价砷。As在水体中主要以三价砷(As(III))和五价(As(III))的化合物存在。相对于As(V)，As(III)毒性更强，并且As(III)在水体中主要以非离子态H3AsO3存在，难以被吸附去除。因此，As(III)的氧化有助于水处理等环境修复过程中降毒性、促去除，是当前水处理等环境修复过程中的关键技术问题。目前As(III)的氧化有多种方法，主要是二氧化锰、高锰酸盐、微生物、双氧水和芬顿试剂、光化学氧化等主要方法。其中芬顿反应被认为是最有效氧化As(III)的方法，利用双氧水和二价铁反应产生活性氧，活性氧能够高效氧化As(III)，因此大量的研究围绕着芬顿反应氧化As(III)展开。例如，利用纳米零价铁腐蚀过程中能够发生类芬顿反应，产生活性氧氧化As(III)；制备用于提高芬顿反应效率的催化剂，提高As(III)氧化效率。但是芬顿反应活性受溶液pH值影响大，研究表明在pH为3时反应效率最佳，并且需要消耗大量的双氧水药剂，成本较高。同时，在酸性条件下，还存在水中铁离子浓度过高导致二次污染的问题，此外考虑到应用中需要简单、成本低，这种氧化As(III)方法不能完全满足应用要求。近年来，相关研究发现，基于植物秸秆等为原料的生物质炭颗粒可以在有氧条件下，产生持久性自由基(Persistentfreeradicals)，从而可以活化氧气产生羟基自由基(如Environ.Sci.Technol.2014,48,3,1902-1910)。这反应过程可以利用氧气直接原位产生具有氧化性的自由基，从而氧化污染物。但该反应过程的效率十分微弱，尚无法在实际过程中得到应用。根据上述的原理分析，研发具有高效活化氧气产生具有氧化性的物种是促进水体中，尤其是高浓度的As(III)氧化脱毒的关键。专利申请CN110204030A公开了一种利用生物质碳氧化地下水中三价砷的方法。该方法直接参考文献，在400-500℃(该专利最佳温度范围)热解玉米秸秆后，用去离子水清洗制备出了生物质碳。通过在酸性条件(pH2-6)的条件下，投加生物质炭2g/L，处理初始浓度为750μg/L的As(III)，反应时间24小时后的氧化效率在(70-90％)(该专利申请实例3)，即As(III)最大氧化量仅为0.26mg/g(pH6)至0.34mg/g(pH2条件)。该方法虽然可以实现对As(III)的氧化，但氧化效率低，且必须在酸性很高条件(即pH2)下才能达到相对其他pH条件高的氧化效果。在实际的应用过程中需要增加大量的投加量，反应时间长(24小时)，成本高昂，无法适用于实际的应用。因此，研发出即能高效氧化As(III)又环保的材料是降低As(III)风险，提高砷去除的关键。
技术实现思路
为解决现有技术的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种能高效氧化水中三价砷的骨炭。本专利技术的另一目的在于提供上述能高效氧化水中三价砷的骨炭的应用。本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种能高效氧化水中三价砷的骨炭，其通过以下步骤制得：(1)牛骨的准备：将牛骨粉碎至粒径小于0.5cm的颗粒，再将牛骨粉末用水清洗数遍，烘干；(2)制备骨炭：将步骤(1)制得的牛骨粉末置于真空管式炉，在氮气或惰性气体保护下升温到500～1100℃，保持1～3小时，制得酸处理前骨炭；将制备的酸处理前骨炭浸泡于酸溶液中，之后用水冲洗至溶液pH不变，最后烘干制得所述能高效氧化水中三价砷的骨炭。进一步的，步骤(2)中在氮气或惰性气体保护下升温到950℃。对三价砷的氧化效率随着热解温度升高呈现出先升高后下降的变化趋势，在950℃为拐点，三价砷氧化效率最佳。进一步的，步骤(2)中的酸溶液为浓度为1～5mol/L的盐酸。进一步的，步骤(2)中，酸处理前骨炭浸泡于酸溶液中以后，超声10min或10min以上，然后震荡30min或30min以上。进一步的，步骤(2)中，所述酸处理前骨炭用酸溶液重复处理3次。进一步的，步骤(1)和(2)中，所述烘干的温度均为80℃。上述能高效氧化水中三价砷的骨炭可以用于水体中三价砷的高效氧化。一种高效氧化水体中三价砷的方法，包括以下步骤：将所述能高效氧化水中三价砷的骨炭投加到含三价砷的待处理水体中，氧化反应一段时间。所述能高效氧化水中三价砷的骨炭在待处理水体中的投加量：0.1～0.8g/L。所述氧化反应时间为30min～6h，温度为20～40℃；待处理水体pH为5～9。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点及有益效果：(1)本专利技术利用废弃的牛骨通过简单的厌氧高温热解和酸处理，利用牛骨粉中的含钙矿物作为天然的模板，制备出具有超大比表面积的骨炭材料。与现有技术相比，该方法需要特别热解温度范围(即最佳温度为850-1050℃)，以及酸洗去除含钙物质；酸处理后的骨炭能够高效氧化三价砷。(2)本专利技术所述骨炭具有超大比表面积(>1000m2/g)，并且具有高效氧化三价砷的能力，材料合成方法简单，炭材料对环境友好，没有二次污染，制备成本低。通过该材料的进一步修饰，例如负载铁等金属氧化物，可以实现对三价砷的同步氧化和吸附的作用。(3)本专利技术所述骨炭可以直接利用氧气产生活性氧物种，从而实现对As(III)的快速氧化，无需添加额外化学氧化试剂，能为水体等环境中三价砷污染修复提供有效材料，有助于在实际工程中应用。附图说明图1为850℃、950℃、1050℃热解制得的酸处理前骨炭的SEM图。图2为850℃、950℃、1050℃热解制得的骨炭的SEM图。图3为850℃、950℃、1050℃热解制得的酸处理前骨炭(A)和骨炭(B)XRD图。图4为850℃、950℃、1050℃热解制得的酸处理前后的骨炭BET比表面积对比图。图5为550℃、850℃、950℃、1050℃热解制得的酸处理前后的骨炭对三价砷氧化后溶液中五价砷的浓度(A)，生物炭、活性炭和950℃热解制得的骨炭对三价砷氧化对比(B)图(其中的生物炭400是指在400℃热解制得的生物炭，生物炭500是指在500℃热解制得的生物炭，酸处理骨炭是指950℃热解制得的骨炭)。图6为不同pH条件下950℃热解制得的酸处理后的骨炭对三价砷氧化后，溶液中五价砷的浓度随时间的变化。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。本专利技术涉及的原料均可从市场上直接购买。对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。实施例1：1、酸处理前骨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能高效氧化水中三价砷的骨炭，其特征在于其通过以下步骤制得：/n(1)牛骨的准备：将牛骨粉碎至粒径小于0.5cm的颗粒，再将牛骨粉末用水清洗数遍，烘干；/n(2)制备骨炭：将步骤(1)制得的牛骨粉末置于真空管式炉，在氮气或惰性气体保护下升温到500～1100℃，保持1～3小时，制得酸处理前骨炭；将制备的酸处理前骨炭浸泡于酸溶液中，之后用水冲洗至溶液pH不变，最后烘干制得所述能高效氧化水中三价砷的骨炭。/n

【技术特征摘要】
1.一种能高效氧化水中三价砷的骨炭，其特征在于其通过以下步骤制得：
(1)牛骨的准备：将牛骨粉碎至粒径小于0.5cm的颗粒，再将牛骨粉末用水清洗数遍，烘干；
(2)制备骨炭：将步骤(1)制得的牛骨粉末置于真空管式炉，在氮气或惰性气体保护下升温到500～1100℃，保持1～3小时，制得酸处理前骨炭；将制备的酸处理前骨炭浸泡于酸溶液中，之后用水冲洗至溶液pH不变，最后烘干制得所述能高效氧化水中三价砷的骨炭。


2.根据权利要求1所述的一种能高效氧化水中三价砷的骨炭，其特征在于，步骤(2)中在氮气或惰性气体保护下升温到950℃。


3.根据权利要求1所述的一种能高效氧化水中三价砷的骨炭，其特征在于，步骤(2)中的酸溶液为浓度为1～5mol/L的盐酸。


4.根据权利要求1所述的一种能高效氧化水中三价砷的骨炭，其特征在于，步骤(2)中，酸处理前骨炭浸泡于酸溶液中以后，超声10min或10min以上，然后震荡30min或30min以上。


5....

【专利技术属性】
技术研发人员：方利平，李芳柏，刘凯，
申请(专利权)人：广东省生态环境技术研究所，
类型：发明
国别省市：广东;44