一种基于响应曲面法制备除磷改性生物炭的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于响应曲面法制备除磷改性生物炭的方法，属于环境保护技术领域。通过单因素试验计算除磷改性生物炭的产率和磷的吸附量，利用响应曲面法对除磷改性活性炭制备条件：铁的浸渍比、镁的浸渍比和热解时间3个因素进行优化获得最佳制备工艺。本发明专利技术利用响应曲面法对改性生物炭的不同金属的浸渍比和热解温度进行优化，使其达到了对磷的最佳吸附性能，从而实现农弃物资源化利用。从而实现农弃物资源化利用。从而实现农弃物资源化利用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于响应曲面法制备除磷改性生物炭的方法


[0001]本专利技术涉及一种基于响应曲面法制备除磷改性生物炭的方法，属于环境保护


技术介绍

[0002]磷是动植物生长的重要元素，但水体中磷含量高是水体富营养化的重要原因，水体富营养化不仅会造成藻类剧增，而且会使水中的生物缺氧，最终导致湖泊发黑发臭。
[0003]除磷技术主要包括吸附法、化学法、生物法等，已在污水处理厂得到了广泛的应用，吸附法与其他的方法相比有明显的优势，生物炭因为其价格便宜且易得，在吸附材料中应用较广。生物炭是在缺氧条件下，高温加热作物农林废弃物、污泥、残渣、粪便和沼气残渣等，使其分解成空隙发达的炭，具有较大比表面积、较高的选择性、吸附速度快等优点，不会对环境产生二次污染，但是由于生物炭带负电，因此对磷的吸附效果并不好。
[0004]改性生物炭的制备工艺受到了多因素的限制，且各因素之间影响不是相同的，所以有必要引入可行的方法对制备改性生物炭进行优化。响应曲面法是一种优化生物过程的统计学试验设计，可以对影响生物过程的因子及其交互作用进行评价，确定最佳水平范围。响应曲面法在水处理方面主要应用于处理工艺条件的优化，但是在材料的制备方面的应用较少，目前去除溶液中磷元素的改性生物炭制备过程中，一般选用一种活化剂对生物质材料进行浸渍，存在去除效果差的问题，因此，为了提高改性活性炭对溶液中磷的吸附量，亟需提供一种以响应面优化法来得到性能优异的除磷改性活性炭。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了提高改性活性炭对溶液中磷的吸附量，将改性活性炭制备过程中加入的活化剂作为两个不同的因子，将同一水平的因子作为两个不同的指标进行研究，利用响应曲面法确定最佳水平范围，对改性生物炭的不同金属的浸渍比和热解温度进行优化，达到对磷的最佳吸附性能。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种基于响应曲面法制备除磷改性生物炭的方法，通过单因素试验计算除磷改性生物炭的产率和磷的吸附量，利用响应曲面法对除磷改性活性炭制备条件进行优化获得最佳制备工艺；
[0008]除磷改性活性炭的制备具体包括以下步骤：
[0009](1)原料预处理：将农作物秸秆洗涤、烘干、破碎并过筛得到生物质原料；
[0010](2)浸渍：将生物质原料加入活化剂浸渍，过滤并烘干；
[0011](3)热解：将步骤(2)烘干后的生物质原料置于保护气氛下热解得到改性生物炭；
[0012]所述活化剂为FeCl3·
6H2O和MgCl2·
6H2O。
[0013]进一步地，所述步骤(1)中农作物秸秆为小麦秸秆。
[0014]进一步地，所述步骤(1)中烘干温度为60℃，过筛粒径为100
‑
200目。
[0015]进一步地，所述FeCl3·
6H2O和所述生物质原料的质量比为(0:1)
‑
(3:1)，所述MgCl2·
6H2O和所述生物质原料的质量比(0:1)
‑
(4:1)，所述FeCl3·
6H2O和MgCl2·
6H2O的质量均不为0。
[0016]进一步地，所述步骤(2)中浸渍时间为24h。
[0017]进一步地，步骤(3)中热解温度为450
‑
650℃，热解时间为2h，热解升温速度为5℃/min，保护气流速为0.4L/min。
[0018]进一步地，所述单因素试验以铁的浸渍比(所述FeCl3·
6H2O和所述生物质原料的质量比)、镁的浸渍比(所述MgCl2·
6H2O和所述生物质原料的质量比)和热解时间为自变量，对制备的改性生物炭对溶液中磷的吸附进行单因素实验，并计算改性生物炭的产率和磷的吸附量。
[0019]进一步地，所述响应曲面优化法具体为：
[0020]根据单因素的实验结果，利用Design expert 8.0软件根据Box
‑
Behnken实验模型对实验进行设计，以镁的浸渍X1、铁的浸渍比X2、热解温度X3为自变量，以对磷的吸附量Y1和除磷改性生物炭的产率Y2为因变量，建立模型并建立了二次回归模型方程：
[0021]Y1＝69.12+19.45X1‑
3.54X2‑
2.98X3‑
4.73X1X2‑
5.68X1X3+3.20X2X3‑
20X
12
‑
30.60X
22
‑
5.73X
32
[0022]Y2＝44.51
‑
6.21X1+5.61X2‑
3.92X3‑
5.04X1X2+3.71X1X3‑
6.12X2X3+0.81X
12
‑
1.53X
22
‑
2.52X
32
。
[0023]进一步地，对二次多元回归模型方程进行方差分析和显著性分析，根据对回归方程进行p值检验和F检验，确定二次回归方程是否适当，根据显著性检验，确定是否显著。
[0024]进一步地，利用Design expert 8.0软件根据二次多元回归模型方程进行绘图分析自变量和因变量的关系，得到回归方程的响应曲面图，确定改性生物炭最优制备工艺。
[0025]本专利技术公开了以下技术效果：
[0026]1)本专利技术采用的生物质原料为小麦秸秆，储量大、分布广，能够提高农弃物资源化的高效利用，本专利技术对生物炭进行改性处理来改变生物炭的比表面积和零点电位，来增加对磷的吸附效果。
[0027]2)本专利技术利用镁对生物炭的孔隙的刻蚀和铁对生物炭的表面的修饰，协同对生物炭进行改性。通过浸渍
‑
热解法，制备了铁和镁浸渍改性生物质，铁、镁氧化物均匀分布在改性生物炭表面，与溶液中的磷反应生成络合沉淀晶体，在较广的pH下性能稳定，吸附能力很强，改性方法简单，价格便宜，并通过控制热解时间，提高生物炭的产率，提高生物质原料的利用率。
[0028]3)本专利技术将响应区面优化方法应用于改性生物炭对磷的吸附过程，活化剂作为两个不同的因子，将同一水平的因子作为两个不同的指标进行研究，更全面的分析各因素对改性生物炭吸附性能的影响，并且可以连续的对实验的各个水平进行分析，同时将各因素之间的复杂关系用简单的二次多项式的模型来拟合，计算比较简单，是解决实际问题的有效方法。
附图说明
[0029]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所
需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]图1为镁的浸渍比、铁的浸渍比和热解温度对磷吸附量的响应曲面图，其中a为铁、镁浸渍比对改性生物炭磷吸附量的响应曲面图，b为镁浸渍本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于响应曲面法制备除磷改性生物炭的方法，其特征在于，通过单因素试验计算除磷改性生物炭的产率和磷的吸附量，利用响应曲面法对除磷改性活性炭制备条件进行优化获得最佳制备工艺，除磷改性活性炭的制备具体包括以下步骤：(1)原料预处理：将农作物秸秆洗涤、烘干、破碎并过筛得到生物质原料；(2)浸渍：将生物质原料加入活化剂浸渍，过滤并烘干；(3)热解：将步骤(2)烘干后的生物质原料置于保护气氛下热解得到改性生物炭；所述活化剂为FeCl3·
6H2O和MgCl2·
6H2O。2.根据权利要求1所述的一种基于响应曲面法制备除磷改性生物炭的方法，其特征在于，所述步骤(1)中农作物秸秆为小麦秸秆。3.根据权利要求1所述的一种基于响应曲面法制备除磷改性生物炭的方法，其特征在于，所述步骤(1)中烘干温度为60℃，过筛粒径为100
‑
200目。4.根据权利要求1所述的一种基于响应曲面法制备除磷改性生物炭的方法，其特征在于，所述FeCl3·
6H2O和所述生物质原料的质量比为(0:1)
‑
(3:1)，所述MgCl2·
6H2O和所述生物质原料的质量比(0:1)<...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁蓉芳，周北海，王昊，刘佳，邱丽佳，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：