一种磁性Fe3O4/生物炭吸附剂及应用制造技术

本发明专利技术涉及含Cr废水治理技术领域，为解决现有传统热解法制备磁性生物炭材料存在的缺陷，公开一种磁性Fe3O4/生物炭吸附剂，将FeCl3·

【技术实现步骤摘要】
一种磁性Fe3O4/生物炭吸附剂及应用


[0001]本专利技术涉及含Cr废水治理
，具体涉及一种磁性Fe3O4/生物炭吸附剂及应用。

技术介绍

[0002]水中铬污染是目前急需解决的环境问题。铬在水体中有三价(Cr(III))和六价(Cr(III))两种存在形态。Cr(VI)的毒性是Cr(III)的300倍，且Cr(VI)难降解、易在体内富集，是一种公认的强致癌物质。工业废水排放前有必要进行一定的处理去除其中的Cr(VI)。目前处理含铬废水的方法主要有化学沉淀法、离子交换法、膜过滤法和吸附法等。吸附法具有处理效率高、操作简单和吸附剂易获取等优点，是处理含铬废水的一种常用方法，常用的吸附剂有沸石、羟基磷灰石、粘土矿物、活性炭等。
[0003]生物炭是指废弃生物质如农林废弃物、城市垃圾以及动物粪便等在缺氧或微氧条件下高温热解制备的一类富含碳素的高度芳香化固体产物，具有比表面积大、孔隙发达、稳定性强等特点，被广泛应用于水体、土壤等的污染治理。但因生物炭制备过程中由于原材料本身特点及热解过程中所产生的一些副产物，导致生物炭的比表面积较小，孔隙结构及表面官能团的数目和种类较少，且由于生物炭表面主要是带有负电荷的官能团，对阴离子的吸附效果较差。为解决传统热解所得生物炭存在的问题，同时进一步强化其功能，需要采用改性方法活化生物炭表面性质，使其性质得到较好的改善。目前生物炭改性手段主要包括：生物炭表面负载、表面活性剂及官能团修饰、生物炭纳米复合材料制备等。
[0004]现有的研究表明，在生物炭上引入磁性粒子可以提升生物炭的使用性能。
[0005]如近期公开的中国专利CN111871374A，专利名称“一种磁性生物炭的制备方法及其应用”，将制备的生物炭和FeCl3·
6H2O和FeSO4·
7H2O与氢氧化钠反应为生物炭赋磁，通过二次热解并洗涤得到磁性生物炭材料，可以用于土壤中砷、镉、铅等的脱除。但是专利技术人研究发现，通过这种传统方法制备的磁性生物炭的性能提升并不明显，尤其是对水体中Cr的脱除。专利技术人认为，这可能是因为，一方面传统热解大制备的生物炭表面官能团的数目和种类较少，再者四氧化三铁磁性粒子掺杂副产物三氧化二铁而影响了生物炭的形貌所致。

技术实现思路

[0006]为解决现有传统热解法制备磁性生物炭材料存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种磁性Fe3O4/生物炭吸附剂，通过改进传统热解法制备磁性生物炭材料的过程，使制备的磁性Fe3O4/生物炭具有丰富的表面官能团，而且避免或者尽量消除了副产物三氧化二铁的产生。
[0007]本专利技术的另一目的在于提供上述磁性Fe3O4/生物炭吸附剂在脱除水体中铬的应用。
[0008]本专利技术提供如下的技术方案：一种磁性Fe3O4/生物炭吸附剂，将FeCl3·
6H2O、FeCl2·
4H2O分散到有机溶剂中，加
入生物炭、碱液，混合后置于微波环境中反应，反应后洗涤产物、干燥得磁性Fe3O4/生物炭吸附剂。
[0009]现有磁性Fe3O4粒子的制备方法主要有化学共沉淀法、水热法、热分解法等，化学共沉淀法最为流行，应用也较为广泛。化学共沉淀法虽原理简单，但存在许多复杂的副反应，主要为2Fe3O4+0.5O2→
3Fe2O3。三氧化二铁的产生既消耗目标产物，而且对磁性粒子的粒径、形态和结构、性能等产生很大的影响。本专利技术的磁性Fe3O4/生物炭吸附剂的共沉淀反应制备过程中引入微波，利用微波加快共沉淀反应的进行，使得生成的Fe3O4来不及与O2发生副反应，且微波产生的高能量使得反应体系中气体大量逸出，也极大的降低了体系中的O2浓度，降低了副反应发生的几率。同时微波对生物炭形成二次改性和活化，生物炭表面的官能团与一般生物炭相比得到极大的丰富。这样，本专利技术的磁性Fe3O4/生物炭吸附剂具有更高的磁性Fe3O4粒子纯度，而且生物炭的表面官能团也更加丰富，对于水体中Cr的脱除性能得到改善。
[0010]作为本专利技术的优选，FeCl2·
4H2O、FeCl3·
6H2O、碱液中氢氧根离子的摩尔比为1:1.6～2.0:7～8；FeCl2·
4H2O与生物炭的质量比为1:2.5～3.5。由于Fe
2+
活性较高，因此FeCl2·
4H2O的实际用量要较理论用量高一些。
[0011]作为本专利技术的优选，所用碱液为氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液或氨水，碱液的体积为有机溶剂的0.1～0.2倍。本专利技术中所用碱液为乙二醇，起到对FeCl2·
4H2O、FeCl3·
6H2O的良好分散作用。
[0012]作为本专利技术的优选，所述微波的频率为2.0
×
109～5.0
×
109Hz，微波的功率为400～800W。微波的条件设置对于磁性Fe3O4/生物炭吸附剂的制备和性能产生重要影响，过低的频率和功率将导致对共沉淀过程的反应加快效果不理想，而较激烈的反应条件则引起反应体系的爆沸，也将无法顺利获得磁性Fe3O4/生物炭吸附剂。
[0013]作为本专利技术的优选，所述微波反应的过程中有持续的冷凝回流操作，冷凝液温度为1～10℃。避免反应体系的损失。
[0014]作为本专利技术的优选，所述生物炭的制备过程如下：将生物质材料置于隔氧环境中，以20～30℃/min的速率快速升温至500～600℃，保温炭化60～90min，自然冷却后研磨，干燥保存。适宜的快速升温将有助于生物炭形成丰富的孔隙结构，并增加生物炭的比表面积，提升吸附能力。一般400℃以上时生物质材料中的木质素分解达到峰值，但是更高的分解温度将导致生物炭的pH偏向碱性，因此合适的分解温度设定为500～600℃。
[0015]作为本专利技术的优选，所述生物质材料在使用前先置于充满CO2的密封压力装置中，升高压力使CO2转变为超临界流体并浸没生物质材料，然后泄压，重复操作3～5次，再将生物质材料浸润在水中12～24h。
[0016]利用高压和形成的CO2超临界流体浸润，对生物质材料形成扩孔作用，脱除生物质材料中的易挥发组分和小分子物质，减少这些组分的燃烧或者冷凝下来对生物炭的孔隙的影响。在CO2超临界流体浸润基础上浸水，水分更容易饱和生物质材料，在隔氧燃烧中大量的急遽挥发，协同快速升温过程促进孔隙的形成。由于CO2泄压后仍大量存在于生物质材料的细胞或组织结构中，远超出一般的水平，水与CO2结合使得生物质材料内形成酸性环境，进而强化了制备的生物炭的酸性氛围，提升了磁性Fe3O4/生物炭吸附剂对水体中Cr等的脱除能力。
[0017]作为优选，上述升压速率小于泄压速率，通过缓慢升压促进CO2超临界流体对生物质材料的充分浸润，而较快的泄压使得CO2气体快速逸出，带走挥发性气氛和部分小分子物质。升压速率为0.1～0.5MPa/min，泄压速率为2～3MPa/min。
[0018]作为本专利技术的优选，所述生物质材料为稻壳、碎秸秆和木屑中的一种。
[0019]上述磁性Fe3O4/本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁性Fe3O4/生物炭吸附剂，其特征在于，将FeCl3·
6H2O、FeCl2·
4H2O分散到有机溶剂中，加入生物炭、碱液，混合后置于微波环境中反应，反应后洗涤产物、干燥得到磁性Fe3O4/生物炭吸附剂。2.根据权利要求1所述的磁性Fe3O4/生物炭吸附剂，其特征在于，FeCl2·
4H2O、FeCl3·
6H2O、碱液中氢氧根离子的摩尔比为1:1.6～2.0:7～8；FeCl2·
4H2O与生物炭的质量比为1:2.5～3.5。3.根据权利要求1或2所述的磁性Fe3O4/生物炭吸附剂，其特征在于，所用碱液为氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液或氨水；碱液的体积为有机溶剂的0.1～0.2倍。4.根据权利要求1所述的磁性Fe3O4/生物炭吸附剂，其特征在于，所述微波的频率为2.0
×
10
9 ～5.0
×
109Hz，微波的功率为400～800W。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪玉瑛，吕豪豪，刘玉学，何莉莉，杨生茂，
申请(专利权)人：浙江省农业科学院，
类型：发明
国别省市：