一种粉煤灰生物炭复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种粉煤灰生物炭复合材料及其制备方法和应用，属于重金属处理领域。粉煤灰生物炭复合材料，由秸秆和碱熔粉煤灰制备得到；所述秸秆与碱熔粉煤灰的质量比为4:1；所述碱熔粉煤灰由粉煤灰和碱性物质制备得到，所述粉煤灰与碱性物质的质量比为1:1。BCs的最大吸附量分别达到14.84、15.56和17.85mgg

【技术实现步骤摘要】
一种粉煤灰生物炭复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及重金属处理领域，特别是涉及一种粉煤灰生物炭复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]原始的木质纤维素(农林废弃物如玉米秸秆等)制备的生物炭对溶液中的Cd
2+
吸附效果一般，研究者为了改善生物炭的物理化学性质以适应不同的环境过程，采用了酸、碱、氧化剂和金属离子改性。酸改性对生物炭比表面积的影响因酸的种类和浓度不同而不同：经过1M盐酸处理后，芦苇生物炭的比表面积从58.75m2/g增加到88.35m2/g。然而，经硫酸(2％)处理后，稻草生物炭的表面积从71.35m2/g降至56.9m2/g。与酸改性相比，碱改性通常会增加生物炭的比表面积。稻草生物炭经1MKOH处理后，比表面积由71.35m2/g增加到143.3m2/g。一般说来，改性的目的是扩大比表面积，改变官能团，提高磁性和催化能力。氧化剂改性可以增加生物炭表面含氧官能团的含量。H2O2改性可以增加水热炭化制备的花生壳生物炭中含氧官能团，特别是羧基，从而提高其对Pb的吸附能力(羧基和羟基对于Cd的吸附能力也比较好，但若温度过高则会被氧化)，与H2O2类似，KMnO4修饰也能增加含氧官能团，并且可以引入MnO2负载于生物炭上提高生物炭的吸附能力。
[0003]同样的为了使生物炭拥有对重金属离子更好的吸附能力，研究者采用了多种方法制备改性生物炭。崔志文利用KOH和FeCl3对小麦秸秆改性，使复合材料比原始生物炭的表面积增加了19.11倍，增多了芳香族和含氧官能团数量，并且引入了新的官能团Fe
‑
O，提高了对Cd的吸附量。刘邦煜将污泥
‑
玉米秸秆按不同比例混合所制备的生物炭，在对Pb的吸附上大于文献报道的单一农业废弃生物质或污泥制备的生物炭；Zhang利用污泥与秸秆共热解改善生物炭的孔隙特征，增加其吸附能力。纳米零价铁(nZVI)因为具有粒径小、活性中心丰富、反应速度快等特点，被广泛应用在污染物的处理上，但nZVI的环境应用却面临着很多问题：包括它的热力学不稳定、容易氧化、反应持续时间短、空气稳定性差和快速团聚等，因此选择合适的多孔载体作为nZVI的载体是提高nZVI稳定性的有效策略。生物炭富含多种官能团，具有较大的比表面积、较小的碳骨架孔径，以及良好的导电性，这些特性可以调节nZVI的粒径、腐蚀、分散和电子转移能力。近年来，生物炭作为各种催化剂和吸附剂的载体基质的研究也越来越广泛。
[0004]同时，由于木质纤维素原料结构高度紧凑，研究者们将农作物秸秆原料进行预处理
‑
经过研磨、水解、辐照、烘干等，再进一步利用，效率更高。预处理方法包括物理、化学和生物等预处理方法。Lin将5种农作物秸秆(小麦、水稻、玉米、油菜和棉花)先利用蒸汽爆破预处理(SE)，然后在500℃热解2h，结果表明蒸汽爆破使秸秆中的半纤维素和纤维素分别降低47～95％和5～16％；与未处理的原料相比，经SE处理的生物炭具有较低的比表面积(SSA)和孔体积，其中一个例外是SE提高了油菜秸秆生物炭的SSA约16倍，表明相对其他农作物它可能是一种适合SE预处理的材料。
[0005]玉米秸秆衍生的生物炭由于其大的比表面积、复杂的孔隙结构和丰富的官能团，
被广泛用于去除废水中的污染物。由于原始玉米秸秆生物炭的吸附性能较低，在以往的研究中，学者们开始研究玉米秸秆生物炭的改性：用硼改性玉米秸秆生物炭可以将Fe
2+
的吸附量从111.56mgg
‑1提高到132.78mgg
‑1；用α
‑
FeOOH改性玉米秸秆生物炭，发现其对Cu
2+
最大吸附量达到144.7mgg
‑1；用丙烯腈改性玉米秸秆生物炭，对Cd
2+
的吸附能力达到85.65mgg
‑1，然而，单一的玉米秸秆不利于发展多种性质的功能性生物炭，对单一玉米秸秆生物炭的改性效果不大。两种或更多原料的共同热解已被证明能有效改善生物炭的性能。
[0006]粉煤灰是来一种自于燃煤电厂的工业固体废物，每年以5亿吨的速度增长，对于其合理的处理和处置一直备受关注。粉煤灰的主要化学成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO。近年来，由于粉煤灰的粒径小、比表面积大，越来越多地被用作去除污染物的吸附剂。Sun等人研究了粉煤灰在水溶液中对两种活性染料和两种酸性染料的吸附行为，以确定这种固废去除有色物质的能力(1.860～10,937mg g
‑1)；RoshanPrabhakar使用粉煤灰合成沸石从水中去除镉，发现最大单层吸收能力为145.931mgg
‑1；Wang等人将粉煤灰与猪粪生物炭复合，发现这种复合体大大提高了对废水中亚甲基蓝的吸附能力，最大达到131.58mgg
‑1。然而，原始粉煤灰和改性粉煤灰都有一个缺点，那就是高度团聚，吸附性能一般，单独作为吸附剂时成本高。

技术实现思路

[0007]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种粉煤灰生物炭复合材料及其制备方法和应用，本专利技术提供的粉煤灰生物炭复合材料提高了对重金属的吸附效果。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]本专利技术提供了一种粉煤灰生物炭复合材料，由秸秆和碱熔粉煤灰制备得到；
[0010]所述秸秆与碱熔粉煤灰的质量比为4:1；
[0011]所述碱熔粉煤灰由粉煤灰和碱性物质制备得到，所述粉煤灰与碱性物质的质量比为1:1。
[0012]优选的，所述碱性物质为氢氧化钠。
[0013]优选的，所述秸秆包括玉米秸秆。
[0014]本专利技术还提供了一种上述技术方案所述的粉煤灰生物炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0015]1)将所述粉煤灰与碱性物质混合后进行热处理，得到碱熔粉煤灰；
[0016]2)将所述步骤1)得到的碱熔粉煤灰与秸秆、水混合后进行振荡反应，得到振荡反应物，将所述振荡反应物干燥后碳化，得到粉煤灰生物炭复合材料。
[0017]优选的，所述步骤1)热处理的条件包括：650℃下热处理0.5h；
[0018]步骤2)振荡反应的条件包括：温度为22℃，时间为12h，转速为180rpm。
[0019]优选的，所述步骤2)秸秆与碱熔粉煤灰的总质量与水的体积比为1g:8mL。
[0020]优选的，所述步骤2)碳化的条件包括：在氮气氛围、温度为300～700℃下碳化2h。
[0021]本专利技术还提供了上述技术方案所述的粉煤灰生物炭复合材料在吸附重金属中的应用。
[0022]优选的，所述重金属包括镉。
[0023]本专利技术的有益效果为：
[0024]BCs的最大吸附量分别达到14.84mgg
‑1、15.56mgg
‑1和17.85mgg
‑1。FBCs的最大吸附量分别达到68.24mgg
‑1、84.25mgg
‑1和137.1mgg...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种粉煤灰生物炭复合材料，其特征在于，由秸秆和碱熔粉煤灰制备得到；所述秸秆与碱熔粉煤灰的质量比为4:1；所述碱熔粉煤灰由粉煤灰和碱性物质制备得到，所述粉煤灰与碱性物质的质量比为1:1。2.根据权利要求1所述的粉煤灰生物炭复合材料，其特征在于，所述碱性物质为氢氧化钠。3.根据权利要求1所述的粉煤灰生物炭复合材料，其特征在于，所述秸秆包括玉米秸秆。4.一种权利要求1～3任一项所述的粉煤灰生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将所述粉煤灰与碱性物质混合后进行热处理，得到碱熔粉煤灰；2)将所述步骤1)得到的碱熔粉煤灰与秸秆、水混合后进行振荡反应，得到振荡反应物，将所述振荡反...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘丙祥，章子杭，蒋硕，王锦涛，宋小鹏，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：