CN107362773A - 一种高效去除重金属铅和镉香菇菌渣生物炭吸附剂及其制备方法 - Google Patents

一种高效去除重金属铅和镉香菇菌渣生物炭吸附剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于污水处理技术领域，具体为一种高效去除重金属铅和镉香菇菌渣生物炭吸附剂及其制备方法。该方法包括如下步骤：(1)将香菇菌渣自然风干后粉碎过20‑100目筛备用；(2)将步骤(1)所得物置于马弗炉中，在厌氧条件下，于500℃高温热解2小时，即得粗制生物炭；（3）将步骤（2）所得物研磨过100目筛，即得高吸附性能生物炭。本发明所得生物炭具有十分优异的铅镉去除效果，可使水中铅、镉的最高去除率达到99.8%、99.6%。本发明所得生物炭无需改性，制备过程简单，原料易得廉价，具有十分广阔的市场应用前景。

Description

一种高效去除重金属铅和镉香菇菌渣生物炭吸附剂及其制备 方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体为一种高效去除重金属铅和镉香菇菌渣生物炭吸附剂及其制备方法。
背景技术
水作为生命之源，同时也是重要环境介质。随着工农业现代化的急速发展，产生了一些对人体有害的污染物质，并且大多数排放进入环境，并通过各种作用方式，如渗透、直接排放等，而最终汇集于水体之中，尤以重金属为甚。众所周知，与一般的有机污染物不同，重金属具有难降解和难挥发的特性，并能通过食物链的富集作用，最终威胁到人类生命。因此，急需对废水中的重金属进行净化处理。
利用活性炭吸附处理含重金属废水具有处理方法简单、吸附效率高等优点。但利用活性炭处理含重金属废水成本较高，无法广泛使用。生物炭是生物质在完全或部分缺氧情况下经热解产生的高度芳构化的碳质材料。因其孔隙结构发达、比表面积大和离子交换量高等独特的物理化学性质，能较好地直接吸附废水中的重金属离子。目前，国内外利用有机物料制备生物碳的研究较多，如兰州理工大学张继义等利用小麦秸秆制备生物碳、浙江大学陈再明以水稻秸秆制备生物碳、北京科技大学张扬以玉米芯制备生物碳等，但现有研究多以单一原料制备生物炭，而以混合物料制备生物炭的研究较少，尤其缺乏多种生物质原料混合来制备高效去除重金属铅镉的生物炭。
发明内容
本发明的发明目的是针对以上问题，提供一种高效去除重金属铅和镉香菇菌渣生物炭吸附剂。该吸附剂可以有效利用每年大量产生的香菇菌渣，厌氧热解制备能高效去除重金属铅镉的生物炭，可进一步促进废弃物质的资源化利用，实现以废治废的目的。该利用多种生物质原料混合的菌渣制备生物炭，可确保制备的生物炭的高吸附性能，提高生物炭对含重金属废水的净化效果。
本发明的另外一个发明目的是提供以上所述高效去除重金属铅和镉香菇菌渣生物炭吸附剂的制备方法。
本发明的具体技术方案为：
一种高效去除重金属铅和镉香菇菌渣生物炭吸附剂的制备方法，该吸附剂所采用的原料为香菇菌渣，具体包括以下步骤：
(1)将香菇菌渣进行自然风干，使水分含量低于1-2％，去除非生物质组分后进行粉碎，过20-100目筛；
(2)将经上述处理后的物料置于瓷坩埚中，于500℃的马弗炉中进行厌氧热解2h，热解反应结束后，待坩埚冷却至室温后取出，得粗制生物炭；所述的厌氧热解温度为500℃，热解时间为120min，升温速度为10℃/min。
(3)将上述制备的粗制生物炭进行研磨后过100目筛，即获得高吸附性能的生物炭。
本申请中所采用的香菇菌渣为栽培食用菌香菇后的废弃物。作为优选，所述的香菇菌渣中含有以下质量百分含量的生物质：粗木屑(粒径1-2mm)82％、麸皮18％，总质量百分含量为100％。
以上所述的一种高效去除重金属铅和镉香菇菌渣生物炭吸附剂的应用，将该吸附剂用于处理含重金属铅的废水或含重金属镉的废水，当吸附剂投加量4.0g/L、废水中镉浓度100mg/L、温度为25℃、pH＝6、振荡时间12h，重金属镉的去除率达99.6％，吸附量达24.9mg/g；当该吸附剂的投加量1.0g/L、废水中铅浓度200mg/L、温度为25℃、pH＝5、振荡时间4h，重金属铅的去除率达99.6％，吸附量达199.8mg/g。
本发明的积极效果体现在：
(一)有效利用每年大量产生的香菇菌渣，厌氧热解制备能高效去除重金属铅镉的生物炭，可进一步促进废弃物质的资源化利用，实现以废治废的目的。
(二)利用多种生物质混合的菌渣制备生物炭，可确保制备的生物炭的高吸附性能，提高生物炭的净化效果。
(三)具有良好的去除效果，制备的生物炭对水中铅、镉的最高去除率达到99.8％、99.6％。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明，但不限制本发明的保护范围。
实施例1：
将收集到的3种不同配方香菇菌渣分别制备生物炭吸附剂，其中，将含麸皮15％、粗木屑85％的香菇菌渣标记为A；将含麸皮18％、粗木屑82％的香菇菌渣标记为B；含麸皮25％、粗木屑75％的香菇菌渣标记为C。具体制备步骤如下：
1、生物质原料预处理
将以上含有不同比例生物质的香菇菌渣分别进行预处理，经过自然风干，风干后生物质中水的质量百分含量为1％，去除泥沙等非生物质组分后粉碎过40目筛。
2、制备方法
(1)将上述处理后的3种配方的菌渣分别置于瓷坩埚中压实，盖上盖子，在500℃条件下热解120min，热解升温速度为10℃/min。热解反应结束后，待坩埚冷却至室温后取出。
(3)将上述分别制备得到的粗制生物炭再分别进行研磨后过100目筛，即获得高吸附性能的生物炭，分别标记为生物炭A、生物炭B和生物炭C。
二、将上述制得的生物炭用于净化处理含重金属铅镉废水
1、含镉废水处理
(1)在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为100mg/L的含镉重金属废水，分别加入0.2g实施例1中所制备得到的生物炭吸附剂A、B、C。调节重金属废水pH＝6，在25℃条件下以160r/min震荡12h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量(见表1)。
表1 不同原料配比的香菇菌渣制备得到的生物炭吸附剂对含镉废水的去除率
2、含铅废水处理
(1)在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为200mg/L的含铅重金属废水，分别加入0.05g上述实施例1中所制备得到的生物炭吸附剂A、B、C。调节重金属废水pH＝5，在25℃条件下以160r/min震荡4h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量(见表2)。
表2 不同原料配比的香菇菌渣制备得到的生物炭吸附剂对含铅废水的去除率
经过验证，综合考虑去除率及吸附量的变化，对3种原料不同配比的香菇菌渣生物炭吸附剂对相同浓度的含镉、铅废水B类香菇菌渣生物炭吸附剂吸附效果最好，即原料配比为麸皮18％，粗木屑82％。
实施例2：
一、一种高效去除重金属铅和镉香菇菌渣生物炭吸附剂，按如下步骤制得：
1、生物质原料预处理
将收集的栽培香菇后的菌渣(麸皮18％，粗木屑82％)自然风干，风干后生物质中水的质量百分含量为1％，去除泥沙等非生物质组分后粉碎过40目筛。
2、制备方法
(1)将上述处理后的生物质原料置于瓷坩埚中压实，盖上盖子，在500℃条件下热解120min，热解升温速度为10℃/min。热解反应结束后，待坩埚冷却至室温后取出。
(3)将上述制备的粗制生物炭进行研磨后过100目筛，即获得高吸附性能的生物炭。
二、将上述制得的生物炭用于净化处理含重金属铅镉废水，探索各单因素最佳去除条件，具体试验结果见表3-表12所示。
1、含镉废水处理
含镉废水为实验室配制的模拟重金属废水，浓度在20-300mg/L。
(1)在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为100mg/L的含镉重金属废水，加入0.05、0.1、0.2、0.5、1g实施例2中所制备得到的生物炭吸附剂。调节重金属废水pH＝6，在25℃条件下以160r/min震荡12h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量(见表3)。
(2)在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为100mg/L的含镉重金属废水，加入0.2g实施例2中所制备得到的生物炭吸附剂。调节重金属废水pH＝6，在25℃条件下以160r/min震荡0.5、1、2、4、8、12、24h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量(见表4)。
(3)在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为20-300mg/L的含镉重金属废水，加入0.2g实施例2中所制备得到的生物炭吸附剂。调节重金属废水pH＝6，在25℃条件下以160r/min震荡12h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量(见表5)。
(4)在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为100mg/L的含镉重金属废水，加入0.2g实施例2中所制备得到的生物炭吸附剂。调节重金属废水pH＝3-8，在25℃条件下以160r/min震荡12h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量(见表6)。
(5)在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为100mg/L的含镉重金属废水，加入0.2g实施例2中所制备得到的生物炭吸附剂。调节重金属废水pH＝6，在15-45℃条件下以160r/min震荡12h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量(见表7)。
表3 生物炭吸附剂投加量单因素分析
表4 振荡时间单因素分析
表5 含镉废水浓度单因素分析
表6 pH单因素分析
表7 温度单因素分析
通过对生物炭吸附剂投加量、振荡时间、pH、温度、废水含镉浓度等单因素试验结果分析，结合实际应用，获得香菇菌渣生物炭吸附含镉废水的最佳条件为：投加量4.0g/L、废水浓度100mg/L、温度为25℃、pH＝6、振荡时间12h，去除率达99.6％，吸附量达24.9mg/g。
2、含铅废水处理
含铅废水为实验室配制的模拟重金属废水，浓度在50-400mg/L。
(1)在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为200mg/L的含铅重金属废水，加入0.01、0.02、0.05、0.1、0.2g实施例2中所制备得到的生物炭吸附剂。调节重金属废水pH＝5，在25℃条件下以160r/min震荡4h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量(见表8)。
(2)在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为200mg/L的含铅重金属废水，加入0.05g实施例2中所制备得到的生物炭吸附剂。调节重金属废水pH＝5，在25℃条件下以160r/min震荡0.5、1、2、4、8、12、24h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量(见表9)。
(3)在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为50-400mg/L的含铅重金属废水，加入0.05g实施例2中所制备得到的生物炭吸附剂。调节重金属废水pH＝5，在25℃条件下以160r/min震荡4h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量(见表10)。
(4)在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为200mg/L的含铅重金属废水，加入0.05g实施例2中所制备得到的生物炭吸附剂。调节重金属废水pH＝2-6，在25℃条件下以160r/min震荡4h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量(见表11)。
(5)在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为200mg/L的含铅重金属废水，加入0.05g实施例2中所制备得到的生物炭吸附剂。调节重金属废水pH＝5，在15-45℃条件下以160r/min震荡4h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量(见表12)。
表8 生物炭吸附剂投加量单因素分析
表9 振荡时间单因素分析
表10 含铅废水浓度单因素分析
表11 pH单因素分析
表12 温度单因素分析
通过对生物炭吸附剂投加量、振荡时间、pH、温度、废水含铅浓度等单因素试验结果分析，结合实际应用，获得香菇菌渣生物炭吸附含铅废水的最佳条件为：投加量1.0g/L、废水浓度200mg/L、温度为25℃、pH＝5、振荡时间4h，去除率达99.8％，吸附量达199.8mg/g。
经过验证，综合考虑去除率及吸附量的变化，对相同浓度的含铅废水香菇菌渣生物炭吸附剂的投加量在1g/L左右时效果最好，对相同浓度的含镉废水香菇菌渣生物炭吸附剂的投加量在4g/L左右时效果最好。
实施例3：
一、一种高效去除重金属铅和镉香菇菌渣生物炭吸附剂，按如下步骤制得：
1、生物质原料预处理
将收集的栽培香菇后的菌渣(麸皮18％，粗木屑82％)自然风干，风干后生物质中水的质量百分含量为1％，去除泥沙等非生物质组分后粉碎过40目筛。
2、制备方法
(1)将上述处理后的生物质原料置于瓷坩埚中压实，盖上盖子，分别在300、500、700℃条件下热解120min，热解升温速度为10℃/min。热解反应结束后，待坩埚冷却至室温后取出。
(3)将上述制备的粗制生物炭进行研磨后过100目筛，即获得高吸附性能的生物炭。
二、将上述制得的生物炭用于净化处理含重金属铅镉废水
1、含镉废水处理
(1)在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为100mg/L的含镉重金属废水(标注1号)，加入0.2g实施例3中所制备得到的300℃生物炭吸附剂。调节重金属废水pH＝6，在25℃条件下以160r/min震荡12h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量(见表13)。
(2)在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为100mg/L的含镉重金属废水(标注2号)，加入0.2g实施例3中所制备得到的500℃生物炭吸附剂。调节重金属废水pH＝6，在25℃条件下以160r/min震荡12h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量(见表13)。
(3)在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为100mg/L的含镉重金属废水(标注3号)，加入0.2g实施例3中所制备得到的700℃生物炭吸附剂。调节重金属废水pH＝6，在25℃条件下以160r/min震荡12h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量(见表13)。
表13 不同温度下制备的生物炭吸附剂对含镉废水的去除率
2、含铅废水处理
(1)在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为200mg/L的含铅重金属废水(标注1号)，加入0.05g实施例3中所制备得到的300℃生物炭吸附剂。调节重金属废水pH＝5，在25℃条件下以160r/min震荡4h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量(见表14)。
(2)在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为200mg/L的含铅重金属废水(标注2号)，加入0.05g实施例3中所制备得到的500℃生物炭吸附剂。调节重金属废水pH＝5，在25℃条件下以160r/min震荡4h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量(见表14)。
(3)在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为200mg/L的含铅重金属废水(标注3号)，加入0.05g实施例3中所制备得到的700℃生物炭吸附剂。调节重金属废水pH＝5，在25℃条件下以160r/min震荡4h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量(见表14)。
表14 不同温度下制备的生物炭吸附剂对含铅废水的去除率
实施例4：
一、生物质原材料香菇菌渣对含铅镉废水的处理
1、生物质原料预处理
将收集的栽培香菇后的菌渣(麸皮18％，粗木屑82％)自然风干，风干后生物质中水的质量百分含量为1％，去除泥沙等非生物质组分后粉碎过40目筛。
2、含镉废水处理
在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为100mg/L的含镉重金属废水，加入0.2g香菇菌渣。调节重金属废水pH＝6，在25℃条件下以160r/min震荡12h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量。
3、含铅废水处理
在150ml锥形瓶中加入50ml浓度为200mg/L的含铅重金属废水，加入0.05g香菇菌渣。调节重金属废水pH＝5，在25℃条件下以160r/min震荡4h，取出以4000r/min离心20min，将上清液用滤膜过滤后用火焰原子吸收光谱仪测定水中重金属含量，通过计算即可得出生物炭对废水中重金属的去除率及吸附量。
二、实验结果
1、对镉的去除
香菇菌渣投加量4.0g/L，镉浓度为100mg/L，菌渣对水中镉的去除率为55.19％，吸附量为11.2mg/g。
2、对铅的去除
香菇菌渣投加量1.0g/L，铅浓度为200mg/L，菌渣对水中铅的去除率为54.78％，吸附量为109.56mg/g。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种高效去除重金属铅和镉香菇菌渣生物炭吸附剂，其特征在于该吸附剂所采用的原料为香菇菌渣，具体包括以下步骤：
（1）将香菇菌渣进行自然风干，使水分含量低于1-2%，去除非生物质组分后进行粉碎，过20-100目筛；
（2）将经上述处理后的物料置于瓷坩埚中，于500℃的马弗炉中进行厌氧热解2h，热解反应结束后，待坩埚冷却至室温后取出，得粗制生物炭；
（3）将上述制备的粗制生物炭进行研磨后过100目筛，即获得高吸附性能的生物炭。
2.根据权利要求1所述高效去除重金属铅和镉香菇菌渣生物炭吸附剂的制备方法，其特征在于：所述的厌氧热解温度的升温速度为10℃/min。
3.根据权利要求1所述高效去除重金属铅和镉香菇菌渣生物炭吸附剂的制备方法，其特征在于所述的香菇菌渣中含有以下质量百分含量的生物质：麸皮18%，粗木屑82%，总质量百分含量为100%。
4.一种如权利要求1至权利要求3中任意一项所述高效去除重金属铅和镉香菇菌渣生物炭吸附剂的应用，其特征在于：该吸附剂用于处理含重金属铅的废水或含重金属镉的废水，当吸附剂投加量4.0g/L、废水中镉浓度100mg/L、温度为25℃、pH=6、振荡时间12h，重金属镉的去除率达99.6%，吸附量达24.9mg/g；当该吸附剂的投加量1.0g/L、废水中铅浓度200mg/L、温度为25℃、pH=5、振荡时间4h，重金属铅的去除率达99.8%，吸附量达199.8mg/g。
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