CN106111077A - 一种提高生物炭吸附重金属性能的方法 - Google Patents

一种提高生物炭吸附重金属性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高生物炭重金属吸附性能的方法，是通过微波裂解水葫芦茎叶获取粉末生物炭，通过合理选用粘结剂和造孔剂，将粉末生物炭、造孔剂和粘结剂按质量比为1:0.5~1.5:0.25~0.75混合均匀后放入成型模具中施加成型压力进行成型，最后把成型的生物炭放在微波裂解炉中进行活化。本发明制备的成型活性炭对重金属的吸附效果比传统的粉末生物炭有显著的提高，在铅溶液初始浓度较低的时候，去除率接近100%，且具有制造工序简单、高效、成本低等优点。

Description

一种提高生物炭吸附重金属性能的方法
技术领域
本发明涉及环境污染治理领域，具体涉及一种提高生物炭吸附重金属性能的方法。
背景技术
由于生物炭具有吸附能力强、化学性能稳定、比表面积大以及耐热、酸、碱等特点，使其早在百年之前就已经得到了应用。1785年，洛维茨就证实木炭能使某些液体脱色；十年之后，在英国精制糖厂中木炭首次获得工业应用。伴随着后期“工业革命”的兴起，生物炭的运用范围也越来越广，从最初简单的应用于脱色和吸附，发展到了食品加工、化工、军事化学防护等方面。早期使用的大多是粉末生物炭，在进行水净化和空气净化时，由于存在难分离，易流失，再生困难、回收成本高，且废弃后容易滋生细菌产生二次污染等缺陷，因此，其运用的范围也受到了限制。随后生物炭发展为颗粒状，近年来，生物炭广泛应用于各类净化器商品上。将生物炭制成一定的形状如：蜂窝状、块状、板状、球状、柱状等，已经成为了如今研究的热点，即成型生物炭。因为这不仅能消除粉末生物炭带来的粉尘污染问题，还能在一定程度上增大单位体积比表面积，从而进一步地提高生物炭的性能。
重金属主要是指比重大于65的元素，如Pb(II)、Cd(II)等生物毒性较大的元素。随着我国城市化和工业化进程的加速，有越来越多含重金属离子的工业废水不达标排放，对土壤和水体造成了严重污染。重金属有不可降解的性质，对重金属污染的处理只能是改变其存在价态或者是化合物的种类。重金属离子会通过食物链在生物体内富集，并且毒性长期存在，极有可能对人身体健康和生态环境造成严重危害。
发明内容
本发明的目的在于于针对现有技术的不足，提供一种简单高效、成本低廉、并对粉末生物炭吸附重金属铅的性能有显著提高的生产工艺。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种提高生物炭吸附重金属性能的方法，具体步骤如下：
1）制备粉末生物炭，备用；
2）将粉末生物炭、造孔剂和粘结剂混合均匀后，再加入20滴75wt%的酒精后进行搅拌，待搅拌均匀后将混合物放入成型模具中施加成型压力进行成型；
3）从成型模具中取出成型活性炭，并通过微波裂解炉进行活化处理。
步骤1）中生物炭是由微波裂解水葫芦的茎叶制备。
步骤2）中所述粘结剂为酚醛树脂；所述造孔剂为碳酸氢铵。
步骤2）中生物炭、粘结剂和造孔剂的质量比为1:0.5~1.5:0.25~0.75。
步骤2）中成型压力为0.05-0.2MPa。
步骤3）中微波活化功率为350-1000w，活化时间为30-300s。
本发明所制备的成型生物炭相对于粉末生物炭有着一定形状且具有一定机械强度，消除粉末生物炭带来的粉尘污染问题，还能在一定程度上增大单位体积比表面积，从而进一步地提高生物炭的性能。对重金属污染水体的修复有着特别优异的效果，以重金属铅（Pb）为例，将由本发明制备的成型生物炭放入含铅溶液中，吸附很快达到平衡，且对Pb的去除率和去除量远高于未成型粉末生物炭，在铅溶液初始浓度较低的时候，去除率接近100%。
本发明的有益效果在于：
（1）相对于粉末生物炭，本发明所制备的成型生物炭具有一定形状和机械强度，在实际运用中，便于运输，不会造成粉尘污染；
（2）相对于粉末生物炭，本发明所制备的成型生物炭对重金属吸附效果有显著的提高；
（3）本发明工艺简单，条件温和，易于工业化生产，本发明所制备的成型生物炭可运用于处理环境重金属污染且不会造成附加的环境污染，提高了生物质资源利用效率，变废为宝解决水葫芦泛滥问题，具有极其深远的社会意义和经济价值。
附图说明
图1为本发明所制备的成型生物炭吸附重金属前后的照片；
图2为本发明所制备的成型生物炭在不同浓度的铅溶液吸附数据分析图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不仅仅限于这些实施例。
实施例1：
取晒干水葫芦的茎叶在微波裂解炉功率为1100w工况下裂解210s制得所需粉末生物炭，将0.2g粉末生物炭、0.15g酚醛树脂和0.1g碳酸氢铵均匀混合，再加入20滴75wt%的酒精后进行搅拌，待搅拌均匀后将混合物放入成型模具中施加0.05MPa的成型压力加以成型，接着从模具中取出成型生物炭，并将其放置到微波裂解炉中以功率700w进行活化处理150s。
将制备的成型活性炭（如图1）用于吸附初始浓度为100mg/l的铅离子溶液，pH=3，放置在转速为120r/min的摇床吸附24h，取吸附后铅溶液进行铅离子浓度测试 ，结果铅离子溶液平衡浓度0.02mg/l，去除量49.99mg/g，去除率99.98%。
实施例2：
取晒干水葫芦的茎叶在微波裂解炉功率为1100w工况下裂解210s制得所需粉末生物炭，将0.2g粉末生物炭、0.15g酚醛树脂和0.1g碳酸氢铵均匀混合，再加入20滴75wt%的酒精后进行搅拌，待搅拌均匀后将混合物放入成型模具中施加0.05MPa的成型压力，接着从模具中取出成型生物炭，并将其放置到微波裂解炉中以功率700w进行活化处理150s。
将制备的成型活性炭（如图1）用于吸附初始浓度为200mg/l的铅离子溶液，pH=3，放置在转速为120r/min的摇床吸附24h，取吸附后铅溶液进行铅离子浓度测试，结果铅离子溶液平衡浓度0.13mg/l，去除量99.935mg/g，去除率99.44%。
实施例3：
取晒干水葫芦的茎叶在微波裂解炉功率为1100w工况下裂解210s制得所需粉末生物炭，将0.2g粉末生物炭、0.15g酚醛树脂和0.1g碳酸氢铵均匀混合，再加入20滴75wt%的酒精后进行搅拌，待搅拌均匀后将混合物放入成型模具中施加0.05MPa成型压力，接着从模具中取出成型生物炭，并将其放置到微波裂解炉中以功率700w进行活化处理150s。
将制备的成型活性炭（如图1）用于吸附初始浓度为500mg/l的铅离子溶液，pH=3，放置在转速为120r/min的摇床吸附24h，取吸附后铅溶液进行铅离子浓度测试 ，结果铅离子溶液平衡浓度30.5mg/l，去除量234.75mg/g，去除率93.9%。
实施例4：
取晒干水葫芦的茎叶在微波裂解炉功率为1100w工况下裂解210s制得所需粉末生物炭，将0.2g粉末生物炭、0.15g酚醛树脂和0.1g碳酸氢铵均匀混合，再加入20滴75wt%的酒精后进行搅拌，待搅拌均匀后将混合物放入成型模具中施加0.05MPa成型压力，接着从模具中取出成型生物炭，并将其放置到微波裂解炉中以功率700w进行活化处理150s。
将制备的成型活性炭（如图1）用于吸附初始浓度为1200mg/l的铅离子溶液，pH=3，放置在转速为120r/min的摇床吸附24h，取吸附后铅溶液进行铅离子浓度测试，结果铅离子溶液平衡浓度179.6mg/l，去除量510.2mg/g，去除率85.03%。
实施例5
取晒干水葫芦的茎叶在微波裂解炉功率为1100w工况下裂解210s制得所需粉末生物炭，将0.2g粉末生物炭、0.1g酚醛树脂和0.05g碳酸氢铵均匀混合，再加入20滴75wt%的酒精后进行搅拌，待搅拌均匀后将混合物放入成型模具中施加0.05MPa成型压力，接着从模具中取出成型生物炭，并将其放置到微波裂解炉中以功率700w进行活化处理150s。
将制备的成型活性炭（如图1）用于吸附初始浓度为1200mg/l的铅离子溶液，pH=3.2，放置在转速为120r/min的摇床吸附24h，取吸附后铅溶液进行铅离子浓度测试，结果铅离子溶液平衡浓度272.4mg/l，去除量463.8mg/g，去除率77.30%。
实施例6
取晒干水葫芦的茎叶在微波裂解炉功率为1100w工况下裂解210s制得所需粉末生物炭，将0.2g粉末生物炭、0.2g酚醛树脂和0.1g碳酸氢铵均匀混合，再加入20滴75wt%的酒精后进行搅拌，待搅拌均匀后将混合物放入成型模具中施加0.05MPa成型压力，接着从模具中取出成型生物炭，并将其放置到微波裂解炉中以功率700w进行活化处理150s。
将制备的成型活性炭（如图1）用于吸附初始浓度为1200mg/l的铅离子溶液，pH=3.2，放置在转速为120r/min的摇床吸附24h，取吸附后铅溶液进行铅离子浓度测试，结果铅离子溶液平衡浓度203.4mg/l，去除量498.3mg/g，去除率73.05%。
实施例7：
取晒干水葫芦的茎叶在微波裂解炉功率为1100w工况下裂解210s制得所需粉末生物炭，将0.2g粉末生物炭、0.15g酚醛树脂和0.1g碳酸氢铵均匀混合，再加入20滴75wt%的酒精后进行搅拌，待搅拌均匀后将混合物放入成型模具中施加0.1MPa成型压力，接着从模具中取出成型生物炭，并将其放置到微波裂解炉中以功率700w进行活化处理150s。
将制备的成型活性炭（如图1）用于吸附初始浓度为1200mg/l的铅离子溶液，pH=3，放置在转速为120r/min的摇床吸附24h，取吸附后铅溶液进行铅离子浓度测试，结果铅离子溶液平衡浓度474.1mg/l，去除量362.95mg/g，去除率60.49%。
实施例8：
取晒干水葫芦的茎叶在微波裂解炉功率为1100w工况下裂解210s制得所需粉末生物炭，将0.2g粉末生物炭、0.15g酚醛树脂和0.1g碳酸氢铵均匀混合，再加入20滴75wt%的酒精后进行搅拌，待搅拌均匀后将混合物放入成型模具中施加0.2MPa成型压力，接着从模具中取出成型生物炭，并将其放置到微波裂解炉中以功率700w进行活化处理150s。
将制备的成型活性炭（如图1）用于吸附初始浓度为1200mg/l的铅离子溶液，pH=3，放置在转速为120r/min的摇床吸附24h，取吸附后铅溶液进行铅离子浓度测试，结果铅离子溶液平衡浓度692mg/l，去除量254mg/g，去除率42.33%。
实施例9：
取晒干水葫芦的茎叶在微波裂解炉功率为1100w工况下裂解210s制得所需粉末生物炭，将0.2g粉末生物炭、0.15g酚醛树脂和0.1g碳酸氢铵均匀混合，再加入20滴75wt%的酒精后进行搅拌，待搅拌均匀后将混合物放入成型模具中施加0.05MPa成型压力，接着从模具中取出成型生物炭，并将其放置到微波裂解炉中以功率350w进行活化处理300s。
将制备的成型活性炭（如图1）用于吸附初始浓度为1200mg/l的铅离子溶液，pH=3，放置在转速为120r/min的摇床吸附24h，取吸附后铅溶液进行铅离子浓度测试，结果铅离子溶液平衡浓度397.2mg/l，去除量401.4mg/g，去除率66.90%。
实施例10：
取晒干水葫芦的茎叶在微波裂解炉功率为1100w工况下裂解210s制得所需粉末生物炭，将0.2g粉末生物炭、0.15g酚醛树脂和0.1g碳酸氢铵均匀混合，再加入20滴75wt%的酒精后进行搅拌，待搅拌均匀后将混合物放入成型模具中施加0.05MPa成型压力，接着从模具中取出成型生物炭，并将其放置到微波裂解炉中以功率1000w进行活化处理30s。
将制备的成型活性炭（如图1）用于吸附初始浓度为1200mg/l的铅离子溶液，pH=3，放置在转速为120r/min的摇床吸附24h，取吸附后铅溶液进行铅离子浓度测试，结果铅离子溶液平衡浓度207.8mg/l，去除量496.1mg/g，去除率82.68%。
如图2所示，在铅溶液初始浓度较低的时候，通过本发明专利制备的生物炭产品对铅溶液中的铅去除率几乎接近100%（如图2(a)所示），但随着铅浓度的升高虽然去除率有所下降，但质量单位内的生物炭对铅的吸附值却是增大（如图2(b)所示）。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种提高生物炭吸附重金属性能的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
1）制备粉末生物炭，备用；
2）将粉末生物炭、造孔剂和粘结剂混合均匀后，再加入20滴75wt%的酒精后进行搅拌，待搅拌均匀后将混合物放入成型模具中施加成型压力进行成型；
3）从成型模具中取出成型活性炭，并通过微波裂解炉进行活化处理。
2.根据权利要求书1所述的一种提高生物炭吸附重金属性能的方法，其特征在于：步骤1）中生物炭是由微波裂解水葫芦茎叶制备。
3.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于：步骤2）中所述粘结剂为酚醛树脂；所述造孔剂为碳酸氢铵。
4.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于：步骤2）中生物炭、粘结剂和造孔剂的质量比为1:0.5~1.5:0.25~0.75。
5.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于：步骤2）中成型压力为0.05-0.2MPa。
6.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于：步骤3）中微波活化功率为350-1000w，活化时间为30-300s。
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