CN103566883A - 水热液化生物炭基多孔炭和磁性炭材料的制备方法及其用途 - Google Patents

水热液化生物炭基多孔炭和磁性炭材料的制备方法及其用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以水热液化生物炭为原料制备多孔炭和磁性炭材料的方法及其用途。将干燥后的水热液化生物炭置于氮气气氛下慢速热裂解，可制备新型的多孔炭材料。磁性炭材料制备具体工艺如下：铁盐溶液浸渍水热液化生物炭材料，在空气中烘干，氮气气氛下热裂解，在炭材料表面自组装磁性颗粒，磁性炭材料能够从水溶液中磁分离。本发明实现了活化和赋磁过程同步化，制得的磁性吸附剂主要由磁性组分γ-Fe2O3镶嵌多孔炭构成，易于磁分离，结构稳定，且能在酸性溶液中使用。该制备方法中使用的铁盐可以循环使用，节约了成本；本发明简单易行，以废弃物治理环境污染物，具有良好的应用价值。

Description

水热液化生物炭基多孔炭和磁性炭材料的制备方法及其用途
技术领域
本发明涉及水热液化生物炭的资源化利用，尤其涉及一种以水热液化生物炭为原料制备多孔炭和磁性炭材料的方法及其用途，属于环境保护与固体废弃物资源化利用领域。
背景技术
目前，人口的日益增长和生活水平的提高，致使能源需求不断增长，进而加剧了全球气候变暖的趋势；面对能源危机和环境保护的双重需求，生物质的利用日益受到广泛的重视。生物质在其利用的周期能够保持碳的平衡，是一种清洁能源；且我国含有丰富的生物质资源。生物质的水热液化是其利用的一条有效途径，能获得液态的生物油和高附加值的化学品，同时也能获得含碳量高的固体残渣-水热液化生物炭，是一种新型的环境修复材料。生物质水热液化技术的发展，可以实现CO2的大规模减排，减少温室效应；而水热液化生物炭材料能以废治废，变环境负效应为环境正效应。
水热液化生物炭材料表面含有丰富的碳、氧官能团，如：羰基、羧基、芳香基、羟基，具有核壳结构，是一种有潜力的环境修复材料；但是，其比表面较低（<10 m2 g-1），孔隙不发达，严重限制了其在环境修复领域的应用；因此，必须对其活化改性，才能加以利用。将水热液化生物炭厌氧热裂解，能够制备多孔的炭材料；但存在难分离回收的缺陷，将磁性介质同时引入多孔炭材料，有望制备出一种既具备高吸附性能的多孔炭材料、又能通过磁分离技术实现有效分离的新型磁性多孔炭材料。
本发明以水热液化生物炭为原料，通过厌氧热裂解和原位自组装反应，制备新型的多孔炭和磁性炭材料，磁性材料能从溶液中实现磁分离。为废弃水热液化生物炭找到了一条有效的利用方式，并将促进废弃生物质水热液化技术的发展。
发明内容
本发明的目的是资源化利用水热液化生物炭材料，提供一种以水热液化生物炭为原料制备多孔炭和磁性多孔炭材料的方法及其用途。
多孔炭材料的制备方法具体工艺及用途包括以下步骤：
（1）    将烘干后的水热液化生物炭材料置于箱式气氛炉内，在氮气气氛保护下升至300~800 ℃，并维持30~240 min。待温度冷却至室温后，取出，研磨过60目筛，即可得多孔炭材料。
（2）    制备的多孔炭材料用于去除水溶液中的四环素污染物。多孔炭材料的投加浓度优选为500~2000 mg/L。
磁性多孔炭材料的制备方法具体工艺及用途包括如下步骤：
（1） 将烘干后的水热液化生物炭材料投加10~300 g/L铁盐溶液中浸渍2~12小时，过滤，浸渍过的材料在空气气氛和60~80 ℃下，烘1~4小时，其中，铁盐溶液是含铁离子的盐溶液，水热液化生物炭材料与铁盐的的质量比优选为1:1~1:4。
（2）    将步骤（1）烘干后的水热液化生物炭材料放入瓷周内，置于箱式气氛炉内，在氮气气氛保护下升至500~800 ℃，并维持30~240 min。待温度冷却至室温后，取出，水洗，干燥，即可得磁性多孔炭材料。
（3）    所得的磁性多孔炭材料具有一定的磁性，如图2所示，通过外加磁场，可以很好地从水溶液中分离，避免了二次污染和资源浪费。
（4）    本发明制备流程简单易行，铁盐溶液可以循环利用，节约成本；制得的磁性多孔炭材料的铁形态主要是γ-Fe2O3。
（5）    制备的磁性炭材料用于去除水溶液中的四环素污染物。磁性多孔炭材料的投加浓度优选为500~2000 mg/L。
附图说明
图1：磁性炭材料的制备方法流程图。
图2：磁性炭材料的磁分离效果图。
具体实施方式
下面的实施用于进一步说明本发明，并不是对本发明的限定。
实施例1
将干燥过的沙柳300 ℃水热液化生物炭置于瓷周内，放入箱式气氛炉内，在氮气气氛保护下以4 ℃/min的升温速率升至500 ℃，并维持240 min。待温度冷却至室温后，取出，研磨过60目筛，即可得多孔炭材料PC500。经比表面积测定仪测定，其比表面积为288 m2/g，总孔和微孔的孔容分别为0.212和0.124 cm3/g。
实施例2
将干燥过的沙柳300 ℃水热液化生物炭置于瓷周内，放入箱式气氛炉内，在氮气气氛保护下以4 ℃/min的升温速率升至600 ℃，并维持240 min。待温度冷却至室温后，取出，研磨过60目筛，即可得多孔炭材料PC600。经比表面积测定仪测定，其比表面积为270 m2/g，总孔和微孔的孔容分别为0.215和0.117 cm3/g。
实施例3
将干燥过的沙柳300 ℃水热液化生物炭置于瓷周内，放入箱式气氛炉内，在氮气气氛保护下以4 ℃/min的升温速率升至700 ℃，并维持240 min。待温度冷却至室温后，取出，研磨过60目筛，即可得多孔炭材料PC700。经比表面积测定仪测定，其比表面积为316 m2/g，总孔和微孔的孔容分别为0.242和0.136 cm3/g。
实施例4
干燥沙柳300 ℃水热液化生物炭，过筛20目；将过筛材料投加到三氯化铁溶液中浸渍12小时，过滤，其中材料与铁盐溶液的质量比为1:1，三氯化铁的浓度为200 g/L。将浸渍过的材料在空气气氛下，80 ℃加热2小时。烘干后的材料放入瓷周内，置箱式气氛炉内，在氮气气氛保护下以4 ℃/min的升温速率升至600 ℃，并维持120 min。待温度冷却至室温后，取出，水洗，干燥，研磨过60目筛，即可得磁性炭材料MPC600。经比表面积测定仪测定，其比表面积为303 m2/g，总孔和微孔的孔容分别为0.22和0.13 cm3/g。
实施例5
干燥沙柳300 ℃水热液化生物炭，过筛20目；将过筛材料投加到三氯化铁溶液中浸渍12小时，过滤，其中材料与铁盐溶液的质量比为1:1，三氯化铁的浓度为200 g/L。将浸渍过的材料在空气气氛下，80 ℃加热2小时。烘干后的材料放入瓷周内，置箱式气氛炉内，在氮气气氛保护下以4 ℃/min的升温速率升至700 ℃，并维持60 min。待温度冷却至室温后，取出，水洗，干燥，研磨过60目筛，即可得磁性炭材料MPC700。经比表面积测定仪测定，其比表面积为349 m2/g，总孔和微孔的孔容分别为0.24和0.16 cm3/g。
实施例6
多孔炭材料PC700，0.04 g加入到40 mL四环素浓度为50 mg/L的溶液中，置于恒温震荡箱内，在303 K和150 rpm下震荡4天，取3 mL上清液，过滤，在紫外分光光计上测量剩余四环素的浓度。经计算，四环素的去除率为58.0%。
实施例7
磁性炭材料MPC700，0.04 g加入到40 mL四环素浓度为50 mg/L的溶液中，置于恒温震荡箱内，在303 K和150 rpm下震荡4天，取3 mL上清液，过滤，在紫外分光光计上测量剩余四环素的浓度。经计算，四环素的去除率为53.4%。

Claims (6)

1.一种以水热液化生物炭为原料制备多孔炭材料的方法，其特征在于该方法通过以下具体步骤实现：
将干燥后的水热液化生物炭放入瓷周内，置于箱式气氛炉内，在氮气气氛保护下热解，待温度冷却至室温后，取出，即可得水热液化多孔炭材料；
其中，
热解温度为300~800 ℃，并维持30~240 min。
2.一种以水热液化生物炭为原料制备磁性炭材料的方法，其特征在于该方法通过以下具体步骤实现：
将水热液化多孔炭材料投加铁盐溶液中浸渍，过滤，浸渍过的材料在空气气氛烘干；烘干后的水热液化生物炭材料放入瓷周内，置于箱式气氛炉，在氮气气氛保护下热解，待温度冷却至室温后，取出，水洗，干燥，即可得磁性炭材料；
其中，
水热液化生物炭材料与铁盐的的质量比为1:1~1:4，铁盐溶液浓度为10~300 g/L，浸渍时间为2~12小时；
烘干温度为60~80 ℃，加热时间为1~4小时；
热解温度为500~800 ℃，并维持30~240 min。
3.根据权利要求1和2所述的一种以水热液化生物炭为原料制备多孔炭和磁性炭材料的方法，其特征在于所述的生物质水热液化残渣为废弃树木、废弃农业秸秆、藻类等生物质在水热液化条件下生成的残渣。
4.根据权利要求2所述的一种以水热液化生物炭为原料制备磁性炭材料的方法，其特征在于所述的铁盐为所有含铁的盐类物质。
5.水热液化生物炭基多孔炭和磁性炭材料的用途，其特征在于：材料用于吸附去除废水中的抗生素类有机污染物。
6.根据权利要求5所述的水热液化生物炭基多孔炭和磁性炭材料的用途，其特征在于多孔炭和磁性炭材料的投加浓度为500~2000 mg/L。
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