【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及生物炭，尤其涉及一种氮掺杂改性生物炭及其制备方法和应用。
技术介绍
1、染料是水污染的重要来源，纺织染色过程中未经处理的废水向环境排放会严重影响水生生物、土壤和生态系统，最终对人类健康构成威胁，对环境造成严重危害。
2、目前已经开发出多种方法来去除废水中的染料，包括膜分离、混凝、光催化、微生物降解和吸附。其中，吸附作为成本低，操作简单，去除效率高的方法受到广泛关注，生物炭作为常用的吸附材料，依旧存在许多问题：1.没有活化或改性的生物炭往往孔隙结构简单，表面活性位点不足，使得吸附性能较差；2.活化方法选择不当导致吸附剂制备过程消耗的成本过高。
技术实现思路
1、本专利技术的主要目的在于提供一种绿色经济、用于印染废水处理中能高效吸附染料的氮掺杂改性生物炭及其制备方法和应用。
2、为实现上述目的，本专利技术提供一种氮掺杂改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：
3、(1)预处理
4、将具有内源氮的生物质前体浸泡清洗后烘干，然后粉碎处理，得到生物质粉末；
5、(2)共热解
6、将生物质粉末与氮源化合物混合均匀，然后在氮气保护下热解处理，再冷却至室温，得到生物炭前体；
7、(3)浸渍
8、将生物炭前体与含钠化合物和水混合，搅拌处理，然后烘至绝干，得到浸渍生物炭前体；
9、(4)高温热解
10、将浸渍生物炭前体在氮气氛围下进行高温热解处理，得到生物炭；
12、将生物炭清洗后烘至绝干，得到所述氮掺杂改性生物炭。
13、进一步地，步骤(1)中，具有内源氮的生物质前体选用莲杆，烘干温度为80℃。
14、进一步地，步骤(2)中，氮源化合物为尿素，生物质粉末和尿素的质量比为1:1～3。
15、进一步地，步骤(2)中，热解处理条件为温度400～600℃，时间1小时。
16、进一步地，步骤(3)中，含钠化合物为氢氧化钠，生物炭前体和氢氧化钠的质量比为1:1～5。
17、进一步地，步骤(3)中，搅拌处理时间为1小时，烘干温度为80℃。
18、进一步地，步骤(4)中，高温热解处理的具体过程为：先以8～10℃/min的升温速率升温至500～600℃，再以3～5℃/min的升温速率升温至800～900℃，保温1～2h。
19、进一步地，步骤(5)中，清洗依次使用hcl、乙醇和水，烘干温度为80℃。
20、本专利技术还提供一种氮掺杂改性生物炭，按上述的制备方法制备而成。
21、本专利技术还提供上述氮掺杂改性生物炭作为染料吸附剂的应用。
22、所述染料包括但不限于是亚甲基蓝(mb)、孔雀石绿(mg)、罗丹明b(rhb)。
23、本专利技术通过将具有内源氮的生物质前体与氮源共热解、再用含钠无机化合物浸渍碳化前驱体并高温热解两步法制备了一种氮掺杂改性生物炭。
24、本专利技术的有益效果体现在：
25、1、本专利技术制备的生物炭成本低廉，且解决了因莲杆利用率不高，会直接腐烂在水中而导致了巨大的生物资源浪费和严重的环境污染的问题。莲杆作为一种广泛种植的水生植物，其资源丰富且易于获取，这直接降低了生物炭制备的初期原料成本。其次，采用莲杆等农林废弃物不仅能有效利用这类生物资源避免其成为环境负担，而且凭借其自身丰富的内源性氮含量和高纤维素含量，能够在热解过程中自我模板形成具有丰富微孔/介孔结构和较高比表面积的氮掺杂生物炭。
26、2、本专利技术克服了尿碱与生物质原料共混通常会溶解纤维素导致前驱体质量减少的问题。相比而言，首先将生物质原料与氮源共热解，再将碳化前驱体与活化剂浸渍并高温热解的新型两步法工艺制备氮掺杂活性炭不仅优化了生物炭的孔隙结构，在nlbc表面引入了更多的官能团，如-oh/n-h、c＝c和c-n等。这些官能团不仅可以通过物理吸附作用促进亚甲基蓝的附着，还能通过化学吸附作用(如π-π相互作用和氢键作用)进一步增强吸附效率。氮掺杂成功增加了表面极性，促进了与极性吸附质间的相互作用，从而提升了吸附效率。该专利技术制得的生物炭具有更多的芳环结构和更少的含碳缺陷，出现了类石墨结构，有利于提高其稳定性和吸附性能。
27、3、本专利技术制得的生物炭表现出超快速吸附能力，nlbc在加入到mb溶液中后能够迅速吸附mb，30分钟内接近达到吸附平衡，这是由于nlbc具有丰富的孔隙结构和活性位点，使其在吸附初期就能快速捕获mb分子。nlbc对mb的吸附更符合伪二阶模型，说明吸附过程主要依赖于nlbc与mb分子之间的相互作用强度，反映了化学吸附机制的主导作用以及非共价作用的贡献。nlbc在较低温度下(如25℃)具有更高的吸附容量，反映了物理吸附在低温时更为显著，而化学吸附随温度升高而增强的特性。通过拟合发现nlbc的吸附行为符合langmuir-freundlich(lf)复合模型，表明nlbc拥有非均质的表面活性位点，能够在不同浓度和不同环境下展现多层次的吸附机制，包括单层吸附和多层吸附的共存。
28、4、本专利技术提出了一种简单的新型两步法工艺，使得生物质原料与活化方法之间相互适应，制得的莲杆基生物炭比表面积高达1478.93m2 g-1，对mb的最大吸附量高达2320.81mg g-1。nlbc在吸附mb方面的高效表现主要归因于其物理和化学双重作用机制的共同作用。物理作用通过孔隙填充提供了大量吸附位点，mb分子尺寸较小(约1.44nm)，能够顺畅进入nlbc表面的微孔和介孔(平均孔径为2.70nm)中，从而有效避免了孔隙排斥效应。而化学作用则通过π-π相互作用、静电吸引和氢键等多重机制促进了mb分子与nlbc之间的紧密结合，这使得nlbc成为一种极具潜力的材料，用于高效去除水体中的有害物质。
29、5、本专利技术制备的生物炭在真实废水中表现出极佳的吸附效率及可重复实用性。nlbc在碱性条件下对mb的吸附能力更强，在酸性环境中，生物炭表面质子化导致带正电，与阳离子染料mb存在静电排斥，氮掺杂进一步提高了nlbc在碱性条件下的吸附容量，这表明静电相互作用是nlbc吸附mb的重要机制。在含有不同无机盐的条件下，nlbc展示了对mb的高吸附量，表现出良好的离子适应性。虽然无机盐的存在可能导致竞争吸附，减少mb分子的吸附量，但得益于nlbc的孔隙结构和表面官能团，nlbc在模拟真实废水条件下对mb依然显示出高达1155.16mg/g的优异吸附能力。在多次循环利用后后，nlbc对亚甲基蓝的吸附效率仍保持在70％以上，且吸附容量的下降速率随循环次数增加而降低。这些特性表明nlbc在处理高离子强度或不同ph条件下的污水时具有显著优势。
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1.一种氮掺杂改性生物炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的氮掺杂改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，具有内源氮的生物质前体选用莲杆，烘干温度为80℃。
3.如权利要求1或2所述的氮掺杂改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，氮源化合物为尿素，生物质粉末和尿素的质量比为1:1～3。
4.如权利要求1或2所述的氮掺杂改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，热解处理条件为温度400～600℃，时间1小时。
5.如权利要求1或2所述的氮掺杂改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，含钠化合物为氢氧化钠，生物炭前体和氢氧化钠的质量比为1:1～5。
6.如权利要求1或2所述的氮掺杂改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，搅拌处理时间为1小时，烘干温度为80℃。
7.如权利要求1或2所述的氮掺杂改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，高温热解处理的具体过程为：先以8～10℃/min的升温速率升温至500～600℃，再以3～5℃/min的升温速率升
8.如权利要求1或2所述的氮掺杂改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，清洗依次使用HCl、乙醇和水，烘干温度为80℃。
9.一种氮掺杂改性生物炭，其特征在于，按如权利要求1至9中任一项所述的制备方法制备而成。
10.如权利要求9所述的氮掺杂改性生物炭作为染料吸附剂的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂改性生物炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的氮掺杂改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，具有内源氮的生物质前体选用莲杆，烘干温度为80℃。
3.如权利要求1或2所述的氮掺杂改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，氮源化合物为尿素，生物质粉末和尿素的质量比为1:1～3。
4.如权利要求1或2所述的氮掺杂改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，热解处理条件为温度400～600℃，时间1小时。
5.如权利要求1或2所述的氮掺杂改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，含钠化合物为氢氧化钠，生物炭前体和氢氧化钠的质量比为1:1～5。
6.如权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：张婷婷，陈玉霞，曹浦森，魏洁，郭勇，徐润民，马超，
申请(专利权)人：安徽农业大学，
类型：发明
国别省市：
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