一种在生物炭表面构筑碱式碳酸镧的方法及其应用技术

本发明专利技术属于生物质炭技术领域，具体涉及一种在生物炭表面构筑碱式碳酸镧的方法及其应用，本发明专利技术的方法包括以下步骤：先将生物质与LaCl3溶液、碱性溶液混匀后水热法处理，或先将生物炭与LaCl3溶液、碱性溶液混匀后化学沉淀；再进一步置于240

【技术实现步骤摘要】
一种在生物炭表面构筑碱式碳酸镧的方法及其应用


[0001]本专利技术属于生物质炭
，具体涉及一种在生物炭表面构筑碱式碳酸镧的新方法及其应用。

技术介绍

[0002]镧(La)是一种多用途元素，例如，作为环境中的含La吸附剂，以及在农业中的微量营养素的应用等，在过去几十年里，人们对其进行了广泛研究。La的广泛应用归因于其多种优点，例如，多功能性、在地壳中的高丰度(接近镍和铜)、高生物相容性和低毒性。特别是它对含氧阴离子或路易斯硬碱的高亲和力使其在环境应用中吸引了广泛的关注。然而，La作为一种稀土元素，在环境中直接使用成本较高。因此，目前的研究中常通过制备La复合材料以提高La的使用效率。物炭作为一种功能性材料在环境领域的应用已经引起了广泛的关注，目前生物炭的制备方法主要有水热、热解和气化等途径。然而，原始的生物炭在应用过程中总是效率低下，甚至在某些情况下有不利影响。为了提高生物炭在特定应用中的性能，需要进一步改性。一般来说，这些改性手段可分为：用有机官能团进行表面改性(如氧化、胺化)，孔隙结构发展(如物理和化学活化)，与外源相(如矿物、纳米材料)的复合。在这些改性策略中，将生物炭与镧(La)进行复合，以提高磷酸盐的吸附性能，并同时针对外源相的特点开发材料的多功能用途，近年来引起了越来越多的关注。
[0003]城市、农业废水主要污染物包括氮、磷等营养元素、重金属、有机物、抗生素和病原微生物。废水未经处理直接排放，则会导致自然水体中磷素含量超标，进而出现水体富营养化问题。目前以有较多学者致力于废水中磷去除的研究，但技术仍存在壁垒。目前，废水中磷处理技术中，经济性和安全性是研究的重点难点。生物处理法是目前养殖场废水最为常见的磷处理方法，一些典型的微生物除磷工艺，例如厌氧/好氧(A/O)工艺等，此类方法主要缺点是处理时间长且受影响因素较多，可能需要长达一个月的时间，同时需要提供大型设备和足够的空间来维持长时间的过程，严重增加了生产成本并且难以彻底去除。对于废水中磷的检测目前常使用钼酸铵分光光度法(GB/T 11893
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1989)，该方法操作较为发杂，且其中所使用到的钼酸盐和浓硫酸溶液，增加了检测成本以及对环境产生二次污染的风险，因此，一种经济型和可持续性的磷去除和检测方法仍有待开发。
[0004]吸附法因其操作简单、成本效益高、易于操作、原料来源广以及处理条件温和等优点，在取水处理中得到广泛应用。镧对磷素具有较强的亲和力，常用于开发磷吸附材料。目前最常见的镧形态为氢氧化镧，但氢氧化镧在溶液中的浸出风险较高。例如，掺杂La(OH)3的多孔生物炭的La损失率在pH＝2时达到44.31％，在pH＝3时急剧下降到0.82％，而La(OH)3掺杂的磁性生物炭吸附磷酸盐后的La浓度在pH＝2时为26.48mg/L。另外已有研究表明La(OH)3对环境中微生物的胁迫较强。而镧的碱式碳酸盐同样能实现高效的磷吸附，其更低的溶解性和更高的稳定性，常用于人类高磷血症的口服药物，并且镧的碱式碳酸盐结构有着镧的其他化合态所不具备的荧光特性，因此可同时用于检测废水中的磷浓度，近年来已有越来越多的研究报道了基于碱式碳酸镧的材料。目前镧的碱式碳酸盐仍然是在溶液中
通过化学沉积来制备，常用到多种有机和无机试剂(如尿素和碳酸钠)，且产生废水，难以大规模制备，尚缺乏更为绿色、简单的制备方法。基于这些研究现状，本专利技术提出了新的制备方法，即先在生物炭表面负载氢氧化镧，然后再利用热化学方法在生物炭表面构筑碱式碳酸镧，主要反应路径包括：
[0005]C+O2→
CO2(1)La(OH)3+CO2→
LaOHCO3+H2O(2)
[0006]另外研究结果表明，本专利技术所得的负载碱式碳酸镧的生物炭明显优于负载氢氧化镧的生物炭复合材料对磷的吸附性能。特别是本专利技术所的负载碱式碳酸镧的生物炭在真实废水(养猪场厌氧出水)中具有高效的磷吸附能力，单位吸附能力更是优于该材料在实验配置的模拟溶液中的磷吸附容量，并且在不同的浓度的含磷废水中的荧光强度呈较好的线性关系，可用于废水中的磷去除的同步检测。因此本专利技术所提出的材料制备方法及其应用具有显著的创新性和进步性，有着较好的实际应用前景。最终本专利技术不仅为废弃生物质的高值利用提供了新方法，也可以为废水磷的吸附、回收和检测提供了新的材料和方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在生物炭表面构筑碱式碳酸镧的方法及其应用。
[0008]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种在生物炭表面构筑碱式碳酸镧的方法，包括以下步骤：
[0009]S1、将生物质与LaCl3溶液混合均匀，并加入碱性溶液，经水热法处理后到负载氢氧化镧的生物炭；或直接以生物炭为原料，将生物炭与LaCl3溶液混合，再加入碱性溶液，经化学沉淀后获得负载氢氧化镧的生物炭；
[0010]S2、将步骤S1得到的氢氧化镧负载的水热炭于240
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400℃的空气气氛中处理20
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240min，根据热重实验结果，表面氢氧化镧在240
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400度转化为碱式碳酸镧，在更高温度下转化为碳酸氧镧，得到碱式碳酸镧负载的生物炭。
[0011]进一步的，步骤S1中，所述生物质包括农业生物质和林业生物质。
[0012]农业生物质为农业生产过程中的废弃物，如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆(玉米秸、高粱秸、麦秸、稻草、豆秸和棉秆等)；农业加工业的废弃物，如农业生产过程中剩余的稻壳等。
[0013]林业生物质为森林生长和林业生产过程提供的生物质，如薪炭林、在森林抚育和间伐作业中的零散木材、残留的树枝、树叶和木屑等；木材采运和加工过程中的枝丫、锯末、木屑、梢头、板皮和截头等；林业副产品的废弃物，如果壳和果核等。
[0014]进一步的，步骤S1中，所述生物质、LaCl3的质量比范围为1％
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20％。
[0015]进一步的，步骤S1中，所述碱性溶液中的碱为尿素、氢氧化钾或氢氧化钠中的一种；所述碱性溶液加入后的pH＝8
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12。
[0016]进一步的，步骤S1中，水热法的条件为150
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250℃条件下反应1
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12h。
[0017]进一步的，步骤S1中，得到的氢氧化镧负载的水热炭需要进行多次洗涤。优选使用超纯水反复清洗3次后，在烘箱中65℃烘干，该步骤可去除部分可溶性杂质，提升对磷的吸附效果。
[0018]本专利技术还提供一种上述的方法得到的碱式碳酸镧负载的生物炭。
[0019]本专利技术还提供一种上述的碱式碳酸镧负载的生物炭在磷的吸附、回收和固定中的应用。
[0020]本专利技术还提供一种上述的碱式碳酸镧负载的生物炭用于检测土壤/废水中磷浓度的应用。
[0021]本专利技术的有益效果是：
[0022]本专利技术通过水热掺杂耦合热空气氧化改性新方法，制备了新型生物炭
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碱式碳酸镧复合材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在生物炭表面构筑碱式碳酸镧的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将生物质与LaCl3溶液混合均匀，并加入碱性溶液，经水热法处理后到负载氢氧化镧的生物炭；或直接以生物炭为原料，将生物炭与LaCl3溶液混合，再加入碱性溶液，经化学沉淀后获得负载氢氧化镧的生物炭；S2、将步骤S1得到的氢氧化镧负载的生物炭于240
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400℃的空气气氛中处理20
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240min，得到碱式碳酸镧负载的生物炭。2.根据权利要求1所述的一种在生物炭表面构筑碱式碳酸镧的方法，其特征在于，步骤S1中，所述生物质包括农业生物质和林业生物质。3.根据权利要求1所述的一种在生物炭表面构筑碱式碳酸镧的方法，其特征在于，步骤S1中，所述生物质或生物炭与LaCl3的质量比例为1％
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【专利技术属性】
技术研发人员：代立春，梁成虎，竹文坤，胡茂，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：