CN106179215A - 水生植物生物炭‑碳纳米管复合材料的制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水生植物生物炭‑碳纳米管复合材料的制备方法与应用，包括如下步骤：将水生植物生物炭与碳纳米管悬浮液混合充分搅拌后，干燥，热解，得到所述水生植物生物炭‑碳纳米管复合材料。所述碳纳米管悬浮液为放入去离子水中的碳纳米管粉末超声获得的悬浮液；水生植物生物炭与碳纳米管悬浮液充分混合，烘干，之后在厌氧高温条件下获得水生植物生物炭‑碳纳米管复合材料。利用该方法制备的复合材料可以有效的吸附去除水体大量Pb、Cu，本方法制备的复合材料亦可添加到Pb、Cu超标的土壤中，降低土壤中Pb、Cu的生物有效性，起到阻控重金属的目的。

Description

水生植物生物炭-碳纳米管复合材料的制备方法与应用
技术领域
本发明属水处理技术领域，具体涉及水生植物生物炭-碳纳米管复合材料的制备方法与应用。
背景技术
随着我国经济的迅速发展，对水资源需求量越来越大，但同时水资源的污染问题也日益严重。在众多水污染中重金属污染占了相当大的比例。而重金属污染又容易在生物链中富集和扩大，并且毒性较大，因此水中重金属超标及其造成的问题已经严重危害到生态环境和人类的生命健康。其中，我国铅（Pb）污染以及铜（Cu）污染尤为严重。近年来，我国陆续出现了多起铅污染以及铜污染污染事件。如2009年、2010年多地就曝出的血铅超标事件，2010年造成了汀江大面积恶性污染的福建紫金矿业含铜酸性废水渗漏事件等。
现有包括离子交换、吸附、混凝、膜过滤的大量处理技术，用于去除废水中的Pb、Cu。在这些方法中，吸附是已知一种更加经济和简单的处理方法。因此，寻找低成本、高容量的重金属Pb以及Cu的吸附剂的需求正在增加。
碳纳米管是一种圆筒形的石墨烯材料，具有优异的性能，例如超轻、机械强度高、热稳定性和化学稳定性。吸附作为碳纳米管的潜在用途引起了广泛的关注，因为碳纳米管具有典型的中空层状结构使它获得极高的比表面积，相应的它也获得了对各种污染物高吸附能力。
尽管碳纳米管拥有这些吸附性能，但由于碳纳米管的溶解度差和其原生状态的快速聚集导致实际应用仍然有限。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种利用水生植物废弃物以及碳纳米管制备一种重金属Pb以及Cu吸附剂的方法。解决了现有技术中对重金属Pb以及Cu的吸附能力差的问题。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
利用水生植物生物炭-碳纳米管复合材料制备吸附剂的方法，包括如下步骤：
步骤（1）、将水生植物自然风干，使其内部含水率低于10%，然后粉碎过100目筛子，获得水生植物粉末；
步骤（2）、称取步骤（1）所述水生植物粉末，将粉末置于箱式气氛炉中，向炉内通入氮气；程序升温至目标温度，保持终温热解；热解过程结束后，即得水生植物生物炭；
步骤（3）、碳纳米管粉末加入去离子水中制备得碳纳米管悬浮液；
步骤（4）、将步骤（3）所述的碳纳米管悬浮液用超声波均质机进行超声波处理；
步骤（5）、称取步骤（2）所述水生植物生物炭放入步骤（4）所述的碳纳米管悬浮液中，并用磁力搅拌器搅拌一定时间，取出后在105℃下烘干得水生植物生物炭与碳纳米管充分混合物；
步骤（6）、称取步骤（5）所述水生植物生物炭与碳纳米管充分混合物置于箱式气氛炉中，向炉内通入氮气；程序升温至目标温度，保持终温热解；热解过程结束后，即得水生植物生物炭-碳纳米管复合材料。
进一步地，所述步骤（1）中水生植物为芦苇、香蒲或茭草中的一种。
进一步地，所述步骤（2）中炉内氮气流速为400 mL/min；程序升温速率控制10 °C/min；目标温度为500°C；500°C下终温热解持续60 min。
进一步地，所述步骤（3）中碳纳米粉末与去离子水的质量体积比为1:50；其中碳纳米粉末的质量单位为克，去离子水体积的单位为毫升。
进一步地，所述步骤（4）中通过超声波仪进行超声波处理，其输出频率为每小时20kHz，脉冲间隔15 min，超声时间为1 h。
进一步地，所述步骤（5）中水生植物生物炭与碳纳米管悬浮液的质量体积比为1:10；其中水生植物生物炭的质量单位为克，碳纳米管悬浮液体积的单位为毫升。
进一步地，所述步骤（5）中搅拌时间为1 h，搅拌速率为200 rpm。
进一步地，所述步骤（6）中炉内氮气流速为400 mL/min；程序升温速率控制4 °C/min；目标温度为700°C；700°C下终温热解持续90 min。
本发明采用的水生植物废弃物以及碳纳米管均是丰富以及廉价的低成本材料，因此通过此方法制备的水生植物生物炭-碳纳米管复合材料成本低廉。并且可在原位收集水生植物并制备生物炭，减少了运输成本。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
（1）与现有生物炭或类生物炭吸附剂技术相比，本发明提供的改性生物炭对重金属Cu、Pb等具备了吸附能力，并且吸附性能非常高；
（2）本发明提供的水生植物生物炭-碳纳米管复合材料，利用的水生植物废弃物以及碳纳米管均是非常便宜以及容易获得原材料；
（3）本发明制备的水生植物生物炭-碳纳米管复合材料，具有相当的稳定性，吸附后解吸再生并可以重复使用；
（4）本发明制备的水生植物生物炭-碳纳米管复合材料，还可以提供额外的环境效益，例如碳封存和土壤改良。
（5）本发明提供的制备方法简易，价格低廉，易于工业化生产；将生物炭技术和纳米技术结合，制造混合纳米材料生物炭复合材料，这样可以有效的降低碳纳米管原生状态的快速聚集。水生植物生物炭-碳纳米管复合材料，用来处理被Pb以及Cu污染水体或者对突发Pb及Cu污染事故水体的应急处理，是一类拥有巨大潜力新型、环保和低成本的吸附剂。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
图1为本发明的工艺流程框图。
图2为5 g芦苇制备生物炭-碳纳米管复合材料对1 L Pb含量为100 mg/L的废水的吸附效果图。
图3为5 g芦苇制备生物炭-碳纳米管复合材料对1 L Cu含量为100 mg/L的废水的吸附效果图。
具体实施方式
实施例Al
（1）将芦苇自然风干，使其内部含水率低于10%，然后粉碎过100目筛子，获得芦苇粉末；
（2）称取步骤（1）所述芦苇粉末，将粉末置于箱式气氛炉中，向炉内通入氮气，氮气流速为400 mL/min；升温速率控制10 °C/min，程序升温至500°C，保持终温热解持续60 min；热解过程结束后，即得芦苇生物炭；
（3）碳纳米管悬浮液的制备是将事先准备好的2 g的碳纳米管粉末加入100 mL的去离子水中；
（4）将步骤（3）所述的碳纳米管悬浮液用超声波均质机进行超声波处理,输出频率为每小时20 kHz，，脉冲间隔15 min，超声时间为1 h；
（5）称取步骤（2）所述1 g芦苇生物炭放入步骤（4）所述的100 mL的碳纳米管悬浮液中，并用磁力搅拌器搅拌1 h，搅拌速率为200 rpm，取出后在105℃下烘干得芦苇生物炭与碳纳米管充分混合物；
（6）将步骤（5）所述芦苇生物炭与碳纳米管充分混合物置于箱式气氛炉中，向炉内通入氮气，流速为400 mL/min；程序升温速率控制4 °C/min；目标温度为700°C；700°C下终温热解持续90 min；热解过程结束后，即得芦苇生物炭-碳纳米管复合材料。
实施例A2
（1）将香蒲自然风干，使其内部含水率低于10%，然后粉碎过100目筛子，获得香蒲粉末；
（2）称取步骤（1）所述香蒲粉末，将粉末置于箱式气氛炉中，向炉内通入氮气，氮气流速为400 mL/min；升温速率控制10 °C/min，程序升温至500°C，保持终温热解持续60 min；热解过程结束后，即得香蒲生物炭；
（3）碳纳米管悬浮液的制备是将事先准备好的2 g的碳纳米管粉末加入100 mL的去离子水中；
（4）将步骤（3）所述的碳纳米管悬浮液用超声波均质机进行超声波处理,输出频率为每小时20 kHz，，脉冲间隔15 min，超声时间为1 h；
（5）称取步骤（2）所述1 g香蒲生物炭放入步骤（4）所述的100 mL的碳纳米管悬浮液中，并用磁力搅拌器搅拌1 h，搅拌速率为200 rpm，取出后在105℃下烘干得香蒲生物炭与碳纳米管充分混合物；
（6）将步骤（5）所述香蒲生物炭与碳纳米管充分混合物置于箱式气氛炉中，向炉内通入氮气，流速为400 mL/min；程序升温速率控制4 °C/min；目标温度为700°C；700°C下终温热解持续90 min；热解过程结束后，即得香蒲生物炭-碳纳米管复合材料。
实施例A3
（1）将茭草自然风干，使其内部含水率低于10%，然后粉碎过100目筛子，获得茭草粉末；
（2）称取步骤（1）所述茭草粉末，将粉末置于箱式气氛炉中，向炉内通入氮气，氮气流速为400 mL/min；升温速率控制10 °C/min，程序升温至500°C，保持终温热解持续60 min；热解过程结束后，即得茭草生物炭；
（3）碳纳米管悬浮液的制备是将事先准备好的2 g的碳纳米管粉末加入100 mL的去离子水中；
（4）将步骤（3）所述的碳纳米管悬浮液用超声波均质机进行超声波处理,输出频率为每小时20 kHz，，脉冲间隔15 min，超声时间为1 h；
（5）称取步骤（2）所述1 g茭草生物炭放入步骤（4）所述的100 mL的碳纳米管悬浮液中，并用磁力搅拌器搅拌1 h，搅拌速率为200 rpm，取出后在105℃下烘干得茭草生物炭与碳纳米管充分混合物；
（6）将步骤（5）所述茭草生物炭与碳纳米管充分混合物置于箱式气氛炉中，向炉内通入氮气，流速为400 mL/min；程序升温速率控制4 °C/min；目标温度为700°C；700°C下终温热解持续90 min；热解过程结束后，即得茭草生物炭-碳纳米管复合材料。
本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
以去除含Pb废水为例（图2），将5 g芦苇制备生物炭-碳纳米管复合材料投加到Pb浓度分别为100 mg·L-1的1 L废水中，Pb的浓度下降迅速，在初期5 min，去除率就达到50.15%，40 min后基本达到稳定，在320 min后，硝酸根的去除率达到83.16%。经过水生植物生物炭-碳纳米管复合材料的吸附作用，吸附很快达到平衡，Pb被快速吸附去除，吸附后的水生植物生物炭-碳纳米管复合材料可以通过酸液洗脱后再回收利用。
以去除含Cu废水为例（图3），将5 g芦苇制备生物炭-碳纳米管复合材料投加到Cu浓度分别为100 mg·L-1的1 L废水中，Cu的浓度下降迅速，在初期5 min，去除率就达到61.83%，20 min后基本达到稳定，在320 min后，硝酸根的去除率达到85.11%。经过水生植物生物炭-碳纳米管复合材料的吸附作用，吸附很快达到平衡，Cu被快速吸附去除，吸附后的水生植物生物炭-碳纳米管复合材料可以通过酸液洗脱后再回收利用。
较高的吸附速率对于实际应用有着重要的意义，吸附速率较快可以确保较高的去除效率。水生植物生物炭-碳纳米管复合材料可用于去除水体Pb、Cu污染，对Pb、Cu的吸附率高。同时，所用原料来源广，成本低廉，操作简单，技术通用性好，实现了 “以废治废”，在重金属污染废水处理，土壤重金属污染阻控等领域有广阔的应用前景。
以上所述仅为本发明优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.水生植物生物炭-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤（1）、将水生植物自然风干，使其内部含水率低于10%，然后粉碎过100目筛子，获得水生植物粉末；
步骤（2）、称取步骤（1）所述水生植物粉末，将粉末置于箱式气氛炉中，向炉内通入氮气；程序升温至目标温度，保持终温热解；热解过程结束后，即得水生植物生物炭；
步骤（3）、碳纳米管粉末加入去离子水中制备得碳纳米管悬浮液；
步骤（4）、将步骤（3）所述的碳纳米管悬浮液用超声波均质机进行超声波处理；
步骤（5）、称取步骤（2）所述水生植物生物炭放入步骤（4）所述的碳纳米管悬浮液中，并用磁力搅拌器搅拌一定时间，取出后在105℃下烘干得水生植物生物炭与碳纳米管充分混合物；
步骤（6）、称取步骤（5）所述水生植物生物炭与碳纳米管充分混合物置于箱式气氛炉中，向炉内通入氮气；程序升温至目标温度，保持终温热解；热解过程结束后，即得水生植物生物炭-碳纳米管复合材料。
2.根据权利要求1所述的水生植物生物炭-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中水生植物为芦苇、香蒲或茭草中的一种。
3.根据权利要求1所述的水生植物生物炭-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中炉内氮气流速为400 mL/min；程序升温速率控制10 ℃/min；目标温度为500℃；500℃下终温热解持续60 min。
4.根据权利要求1所述的水生植物生物炭-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中碳纳米粉末与去离子水的质量体积比为1:50；其中碳纳米粉末的质量单位为克，去离子水体积的单位为毫升。
5.根据权利要求1所述的水生植物生物炭-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中通过超声波仪进行超声波处理，其输出频率为每小时20 kHz，，脉冲间隔15 min，超声时间为1 h。
6.根据权利要求1所述的水生植物生物炭-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中生物炭与碳纳米管悬浮液的质量体积比为1:10；其中生物炭的质量单位为克，碳纳米管悬浮液体积的单位为毫升。
7.根据权利要求1或6所述的水生植物生物炭-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中搅拌时间为1 h，搅拌速率为200 rpm。
8.根据权利要求1所述的水生植物生物炭-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中炉内氮气流速为400 mL/min；程序升温速率控制4 ℃/min；目标温度为700℃；700℃下终温热解持续90 min。
9.根据权利要求1所述的水生植物生物炭-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于：所得水生植物生物炭-碳纳米管复合材料在吸附水体或土壤中重金属Pb以及Cu上的应用。
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