CN107537442A - 基于棉花杆的生物炭制备方法和制备系统以及汞吸收剂 - Google Patents

Abstract

公开了一种基于棉花杆的生物炭制备方法、制备系统及汞吸收剂，制备方法包括将棉花杆进行水洗后剪切成0.5‑1.5厘米的小段，所述小段在70 ℃‑80 ℃中烘干，烘干后的小段经破碎设备粉碎后过60目筛得到棉花杆颗粒；棉花杆颗粒加入含有氯化亚锡和三氯化铁的水溶液中浸渍3‑4小时后在80 ℃‑90 ℃中干燥4‑5小时得到混合物；所述混合物在马弗炉中氮气下以8‑10 ℃/min的速度升温至350‑400 ℃且持续5‑6小时得到棉花杆生物炭颗粒；所述棉花杆生物炭颗粒在含有氯化亚铁、氯化锌和硒粉的乙二醇溶液中通入氯气下以150‑160 ℃搅拌2‑3小时后，加入酸溶液调节pH值为4.5‑6，然后以40‑50 ℃真空干燥6‑7小时获得棉花杆生物炭。

Description

基于棉花杆的生物炭制备方法和制备系统以及汞吸收剂

技术领域

本发明涉及重金属处理领域，特别是涉及一种基于棉花杆的生物炭制备方法和制备系统以及汞吸收剂。

背景技术

重金属污染一直是环境研究热点，其来源广泛，并以土壤、大气为载体，重金属广泛分布于环境中。其中大气中的重金属来源多为燃煤、冶金、采矿等工业活动，至于土壤中的重金属则多以汽车尾气等人类活动为主要来源。重金属极难降解，并且危害极大，一能通过地表径流污染水体，二能破坏土壤的物理、化学性质，三能通过污水灌溉污染作物，导致作物绝收，更有甚者能通过食物链进入人体，引发各种病症，严重危害人类身体健康。在重金属的诸多危害中，对人体的危害是我们最为关心的。

早在上个世纪，就有因食用重金属超标的食物导致人类发病甚至死亡的案例，汞作为重金属元素“五毒之首”，逐渐引起了社会各界的广泛关注。我国是一个开采汞、使用汞、排放汞的大国，早在公元前6世纪，我国就已经开始对汞进行探索、使用，例如制作颜料和炼金的重要原料就是辰砂。大气中汞的来源可以分为两个主要方面，即自然来源及认为来源。自然来源包括火山与地热活动，认为来源则为燃煤锅炉、燃煤电厂、有色金属冶炼以及水泥生产等。汞是唯一一个以气象形态存在于大气中的重金属，其主要存在形态有气态单质汞、活性气态汞和颗粒汞。除此之外，还具有持久性、易迁移性、高生物富集性、高生物毒性的特征。汞的毒性因其存在形态不同而有所差异，无机汞在环境中可转化为甲基汞，其中以甲基汞为毒性最强，具有致癌性、神经毒性、肾脏毒性和免疫系统毒性。现有的除重金属的技术主要有沉淀、离子交换等，但吸附法较这些方法更节能且高效，用生物炭做吸附剂可得得到良好的去除效果。

生物炭是指生物质在无氧环境下低温热裂解后的产物，其较大的孔隙和比表面积使其广泛应用于土壤改良、重金属吸附等其他方面。吸附分三个过程，而吸附速度主要由最慢的一个阶段控制，其速率可以用动力学方法求解。生物炭对汞的吸附是离子交换吸附、物理吸附、化学交联的综合。棉花杆也是农业废弃物的一种，目前，有关棉花杆的利用并不少见，一类如就地换填和快速沤肥，是近期各种秸秆利用的主要形式，二类如秸秆饲料和食用菌基料技术，具有很高的经济价值及过腹还田的功效，三类如能源和工业原料技术，包括秸秆燃气化能源工业和建筑工业。

专利文献1公开的一种用于重金属污染土壤修复的污泥生物炭包括浓缩污泥和坡缕石，经过气氛炉热解制得最终黑色产物为污泥基生物炭，按如下重量比配制：坡缕石5～10%、其余部分为浓缩污泥。该专利使得污泥中重金属主要以残渣态为主要形态，存在于硅酸盐晶格中，不易释放，但该专利的处理重金属的能力有待提高，吸附量不足。

专利文献2公开的一种重金属废水净化用生物炭的制备方法包括如下步骤：(1)将污泥半干化后与生物秸秆混合后的压缩成型；(2)将压缩成型的生物炭 放入管式电炉中进行炭化；(3)将炭化后颗粒进行化学改性，制成具有多孔结构的生物炭。该专利不仅解决了棉杆原料含水率低的问题，经过化学改性后的生物炭吸附效果增强。但该专利的秸秆材质不利于形成比表面积大的生物炭，且生物炭的比表面积和孔容积有待提高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：中国专利公开CN106010542 A号

专利文献2：中国专利公开CN104289177 A号。

发明内容

发明要解决的问题

如上所述，现有技术中的生物炭制备方法制备的生物炭比表面积和孔容积有待提高，吸附量和吸附速度也需要提升从而整体上提高生物炭吸附重金属的吸附能力。

解决问题的方案

本发明人等为了达成上述目的而进行了深入研究，具体而言，在本发明的第一方面，本发明提供了一种基于棉花杆的生物炭制备方法的步骤包括：

第一步骤中，棉花杆进行水洗后剪切成0.5-1.5厘米的小段，所述小段在70 ℃-80 ℃中烘干，烘干后的小段经破碎设备粉碎后过60目筛得到棉花杆颗粒。

第二步骤中，棉花杆颗粒加入含有氯化亚锡和三氯化铁的水溶液中浸渍3-4小时后在80 ℃-90 ℃中干燥4-5小时得到混合物，所述水溶液中的棉花杆颗粒、氯化亚锡和三氯化铁的质量份比例处于100:(5-8):(20-40)。

第三步骤中，所述混合物在马弗炉中氮气下以8-10 ℃/min的速度升温至350-400℃且持续5-6小时得到棉花杆生物炭颗粒。

第四步骤中，所述棉花杆生物炭颗粒在含有氯化亚铁、氯化锌和硒粉的乙二醇溶液中通入氯气下以150-160 ℃搅拌2-3小时后，加入酸溶液调节pH值为4.5-6，然后以40-50℃真空干燥6-7小时获得棉花杆生物炭，其中，所述乙二醇溶液中的棉花杆生物炭颗粒、乙二醇、氯化亚铁、氯化锌和硒粉的质量份比例处于100:(600-800):(5-6) :(20-24) :(5-6)。

在所述的制备方法中，第二步骤中，所述水溶液中的棉花杆颗粒、氯化亚锡和三氯化铁的质量份比例处于100:6:30。

在所述的制备方法中，第四步骤中，所述乙二醇溶液中的棉花杆生物炭颗粒、乙二醇、氯化亚铁、氯化锌和硒粉的质量份比例处于100:700:5.5:22 :5.5。

在所述的制备方法中，第四步骤中，加入盐酸溶液调节pH值为5。

在所述的制备方法中，第一步骤中，棉花杆先通过自来水清洗完杂质后，再经由蒸馏水水洗2次后，剪切成1厘米的小段，所述小段在75 ℃中烘干，烘干后的小段经破碎设备粉碎后过60目筛得到棉花杆颗粒。

在所述的制备方法中，第三步骤中，所述混合物在马弗炉中氮气下以9 ℃/min的速度升温至380 ℃且持续5.5小时得到棉花杆生物炭颗粒。

根据本发明的另一方面，一种汞吸附剂包括所述的制备方法制备的棉花杆生物炭、硫化钙和亚硒酸钠，其中，棉花杆生物炭、硫化钙和亚硒酸钠的质量份比例处于100:(20-30): (40-60)。

根据本发明的又一方面，一种实施所述基于棉花杆的生物炭制备方法的制备系统包括预处理装置、混合装置、炭化装置、处理装置和控制装置。

所述预处理装置包括用于清洗棉花杆的清洗设备、烘干设备和用于粉碎棉花杆的破碎设备，所述烘干设备设有第一温度传感器，所述破碎设备设有转速传感器。

所述混合装置设有定量注入水溶液的输液阀、第一浓度传感器和用于干燥所述水溶液的干燥模块，所述干燥模块设有第二温度传感器。

所述炭化装置包括马弗炉和第三温度传感器。

所述处理装置设有定量注入乙二醇溶液的注液阀、第二浓度传感器、酸碱度传感器、用于定量加入酸溶液的注酸口、用于搅拌的搅拌器、加热模块和真空干燥器，其中，加热模块和真空干燥器分别设有第四温度传感器和第五温度传感器。

所述控制装置连接所述第一、第二、第三、第四和第五温度传感器、第一、第二浓度传感器、酸碱度传感器和转速传感器并分别控制所述烘干设备、干燥模块、加热模块和真空干燥器的温度、破碎设备的转速、混合装置和处理装置的浓度。

在所述的制备系统中，控制装置包括通用处理器、数字信号处理器、PLC控制板、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA。

在所述的制备系统中，控制装置包括包括存储器，所述存储器为一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。

发明的效果

根据本发明的基于棉花杆的生物炭制备方法和制备系统以及汞吸收剂，本发明利用棉花杆的有利于在炭化过程能够形成更大的比表面积和孔容积的材质，通过锡粒子和铁粒子能够分布在棉花杆生物炭的微孔中，使得微孔胀大，进一步提高棉花杆生物炭的比表面积和孔容积，本发明的棉花杆生物炭吸附量大，吸附能力显著提高，棉花杆生物炭上吸附有锡粒子、铁粒子和锌粒子增强生物炭的亲水性，提高生物炭的比表面积和孔容积，显著提高了生物炭的吸附容量。因此，本发明的技术方案克服了现有技术的技术缺陷，取得了显著的技术效果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

[图1] 示出了本发明的一个实施例的基于棉花杆的生物炭制备方法的步骤示意图。

[图2] 示出了本发明的一个实施例的棉花杆生物炭与现有生物炭动力学吸附曲线比较图。

[图3] 示出了本发明的一个实施例的棉花杆生物炭与现有生物炭等温吸附曲线比较图。

[图4] 示出了本发明的一个实施例的棉花杆生物炭与现有生物炭去除率曲线比较图。

[图5] 示出了本发明的一个实施例的棉花杆生物炭与现有生物炭不同pH对汞的吸附量影响曲线比较图。

[图6] 示出了本发明的一个实施例的制备系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

具体而言，如图1所示的本发明的基于棉花杆的生物炭制备方法的步骤示意图，如图1所示，基于棉花杆的生物炭制备方法步骤包括：

第一步骤中，棉花杆进行水洗后剪切成0.5-1.5厘米的小段，所述小段在70 ℃-80 ℃中烘干，烘干后的小段经破碎设备粉碎后过60目筛得到棉花杆颗粒。

棉花杆包括木质素、纤维素、半纤维素、单宁、树脂等，本发明发现棉花杆作为一种可再生资源，其材质有利于制备生物炭，棉花杆经过炭化过程能够形成比现有生物炭的比表面积和孔容积明显增大的棉花杆生物炭，多孔结构显著增加生物炭的吸附位点。本发明通过清洗去除棉花杆上的杂质，然后将棉花杆剪切成0.5-1.5厘米的小段，这有利于后续处理的完成率，小段在70 ℃-80 ℃中烘干，烘干温度过高有可能对棉花杆的材料造成损害，降低吸附位点，烘干温度过低则降低了烘干效率，烘干后的小段经破碎设备粉碎后过60目筛得到棉花杆颗粒，进一步地，破碎设备可调节破碎粒径范围，所述棉花杆颗粒小于60目，优选地，所述棉花杆颗粒为30-60目，更进一步地，所述棉花杆颗粒为50目。

第二步骤中，棉花杆颗粒加入含有氯化亚锡和三氯化铁的水溶液中浸渍3-4小时后在80 ℃-90 ℃中干燥4-5小时得到混合物，所述水溶液中的棉花杆颗粒、氯化亚锡和三氯化铁的质量份比例处于100:(5-8):(20-40)。本发明通过研究发现，锡粒子和铁粒子能够分布在棉花杆生物炭的微孔中，使得微孔胀大，进一步提高棉花杆生物炭的比表面积和孔容积。将花杆颗粒加入含有氯化亚锡和三氯化铁的水溶液中浸渍3-4小时后在80 ℃-90 ℃中干燥4-5小时得到混合物，这种浸渍可以使得锡粒子和铁粒子快速有效地附着在棉花杆颗粒上。为了提高附着性和棉花杆生物炭的比表面积和孔容积，本发明经过研究发现所述水溶液中的棉花杆颗粒、氯化亚锡和三氯化铁的质量份比例处于100:(5-8):(20-40)可以得到最佳性能。

第三步骤中，所述混合物在马弗炉中氮气下以8-10 ℃/min的速度升温至350-400℃且持续5-6小时得到棉花杆生物炭颗粒。本发明可以大规模制备棉花杆生物炭颗粒，且产量连续稳定。

第四步骤中，所述棉花杆生物炭颗粒在含有氯化亚铁、氯化锌和硒粉的乙二醇溶液中通入氯气下以150-160 ℃搅拌2-3小时后，加入酸溶液调节pH值为4.5-6，然后以40-50℃真空干燥6-7小时获得棉花杆生物炭，其中，所述乙二醇溶液中的棉花杆生物炭颗粒、乙二醇、氯化亚铁、氯化锌和硒粉的质量份比例处于100:(600-800):(5-6) :(20-24) :(5-6)。通过第四步骤处理，本发明的棉花杆生物炭吸附量大，吸附能力显著提高，棉花杆生物炭上吸附有锡粒子、铁粒子和锌粒子增强生物炭的亲水性，提高生物炭的比表面积和孔容积，显著提高了生物炭的吸附容量。

为了进一步说明本发明的制备方法制备的棉花杆生物炭的显著性能，将本发明制备的棉花杆生物炭和现有生物炭进行动力吸附对比，设定汞离子浓度为40 mol/L，用碳酸钠将背景离子浓度为0.1 mol/L，生物炭添加量为0.4 g，固液比定为1：400。做双平行，分别准确称取0.4 g的本发明的棉花杆生物炭和现有生物炭于250 ml锥形瓶中，根据所需汞离子浓度准确加入汞标准贮备液，并加入一定量的碳酸钠调节背景离子浓度为0.1 mol/L，加水定容至160 ml。测量并记录初始pH值，震荡摇晃10 min，静置并开始计时。在5 min、10min、30 min、1 h、2 h、4 h、6 h、12 h、24 h时取上清液，分别置于50 ml容量瓶，定容，放置30min后，测定获得如图2所示的棉花杆生物炭与现有生物炭动力学吸附曲线比较图。由图2可以清楚的看出，不论是本发明的棉花杆生物炭还是现有生物炭，其动力吸附过程可以划分为三个阶段，即快速吸附阶段、减速吸附阶段和吸附平衡阶段。在1小时之内，本发明的棉花杆生物炭和现有生物炭对溶液中汞的吸附量急剧增加，为快速吸附阶段。在1小时到6小时之间，吸附量呈稳步上升状态，吸附速度有所减慢，为减速吸附阶段。6小时过后，吸附趋近于平衡状态，为吸附平衡阶段。在这一阶段棉花杆生物炭对溶液中汞的吸附量达到最大，为15846 mg/kg。且棉花杆原样比现有生物炭更早达到吸附平衡阶段，即6小时后，棉花杆生物炭仍在吸附溶液中的汞，在12小时时才趋于平衡。而现有生物炭最大吸附量为15516 mg/kg。在用棉花杆生物炭吸附法去除溶液中的汞时，将吸附反应时间设定为6至12小时能达到既去除量最大又时间最短的最佳状态。利用动力学拟合方程如下表1，由表1可知双常数方程和Elovish方程都可以较好的描述棉花杆生物炭和现有生物炭的动力吸附情况。

表1 生物炭动力吸附拟合方程

为了进一步说明本发明的制备方法制备的棉花杆生物炭的显著性能，将本发明制备的棉花杆生物炭和现有生物炭进行等温吸附对比，设定7个汞离子初始质量浓度，分别为5、15、40、120、160、200 mg/L，生物炭添加量为0.1 g，以1：400为固液比。以0.01 mol/L硝酸钠作为支持电解质，采用批次平衡法。准确称取0.1000 g的棉花杆生物炭和现有生物炭于50mL离心管中，根据所需汞离子浓度分别加入一定体积的汞标准贮备液，将背景离子浓度调整为0.01 mol/L，用蒸馏水定容至40 mL，在振荡器中以120 r/min振荡6 h，期间每隔半小时取出用手晃动一次，振荡完毕后，取出静置2 h，2500 r/min离心6分钟，取上清液测定汞离子浓度。将做完吸附的滤渣用蒸馏水反复清洗，用硝酸钠调节背景离子浓度为0.1mol/L，定容至40 mL，在振荡器中以120 r/min振荡6 h，期间每隔半小时取出用手晃动一次，振荡完毕后，静止2 h，2500 r/min离心6分钟，取上清液测定汞离子浓度。将结果处理后制成如图3所示的棉花杆生物炭与现有生物炭等温吸附曲线比较图，由该图3可以看出，棉花杆生物炭与现有生物炭对溶液中汞的吸附量都随着平衡浓度的升高而增大，且没有明显的变缓趋势。在不同汞离子浓度下，现有生物炭达到吸附平衡时的汞浓度皆高于棉花杆生物炭，显而易见，这就说明了棉花杆生物炭与现有生物炭相比，其对汞的吸附能力明显增大了，增幅达到11.9%。也更进一步证实了生物炭对汞的吸附作用更高效。

如图4所示的棉花杆生物炭与现有生物炭去除率曲线比较图，图4的等温去除率曲线，即吸附率曲线，从图中可以看出，并非溶液中汞离子浓度越低，去除率越高，而是在初始浓度达到40 mg/L或高于40 mg/L的时候，去除率更高，其中棉花杆生物炭与现有生物炭对汞的去除率高。在汞离子浓度为40 mg/L时，棉花杆生物炭对汞的去除率最大，为99.5%，比同时期现有生物炭的去除率高出超过10个百分点。究其原因，是因为棉花杆生物炭具有孔隙大、比表面积大的特点，从而增大了去除率。并且，现有生物炭更容易达到吸附饱和，在汞离子浓度达到甚至高于20 mg/L时，现有生物炭对溶液中汞离子的吸附率逐渐降低，但棉花杆生物炭则以缓慢的速度升高。

分别用Freundlich方程，Langmuir方程和Temkin方程对等温吸附曲线拟合，得到表2。由表2可见，三种方程对棉花杆生物炭的等温吸附的描述都较为贴切。Freundlish方程式为lgQe =1 /n*lgCe+lgKF，Langmuir方程式为Ce/Qe =Ce/Qm+KL/Qm。其中n、KF为Freundlish方程参数，KL为Langmuir方程吸附强度常数。棉花杆生物炭的等温吸附模型最贴合Langmuir方程，Qm表示最大吸附量，其中棉花杆生物炭的Qm为5.45，现有生物炭的Qm为4.17，表示棉花杆生物炭比现有生物炭对汞的吸附能力确实有所升高。而根据Freundlish方程，棉花杆生物炭吸附强度值KF值为47.28，远远高于现有生物炭的8.74，说明棉花杆生物炭对汞的吸附力有了显著的增强。

表2 棉花杆生物炭和现有生物炭吸汞附等温线拟合参数

为了进一步说明本发明的制备方法制备的棉花杆生物炭的显著性能，将本发明制备的棉花杆生物炭和现有生物炭进行pH对比，汞离子初始浓度为20 mg/L，生物炭添加量为0.1g，用尽可能少量的1 mol/L的盐酸和1mol/L的氢氧化钠调节pH至1、3、5、7、9、11，固液比为1：400。以0.01 mol/L硝酸钠作为支持电解质，采用批次平衡法。准确称取一定量的生物炭于50 ml圆底离心管中，分别加入一定体积的汞标准贮备液，用硝酸钠调节背景离子浓度为0.01 mol/L，用蒸馏水定容至40 mL，在振荡器中以120 r/min振荡6 h，期间每隔半小时取出用手晃动一次，振荡完毕后，取出静置2 h，2500 r/min离心6分钟，取上清液测定汞离子浓度。当设定汞离子浓度为20 mg/L时，吸附量随pH的变化如图5所示的棉花杆生物炭与现有生物炭不同pH对汞的吸附量影响曲线比较图。可以看出，当不对pH进行人为调整时，20mg/L汞离子浓度下碳化的棉花杆的吸附量较大，而人为调整pH为1和3时，相同汞离子浓度下棉花杆生物炭对汞的吸附量降低，说明较低的初始pH值对棉花杆生物炭的吸附能力有一定的抑制作用，而当pH为5时，棉花杆生物炭对溶液中汞的吸附量达到最大值，为1589.3mg/kg，后期吸附量便随着pH的升高而缓慢降低，由此推断过高或者过低的pH值都削弱了棉花杆生物炭对溶液中汞原有的强吸附能力。与此不同的是，现有生物炭则受pH的影响较碳化的棉花杆小，在pH不断升高的情况下，现有生物炭对溶液中汞的吸附量整体呈升高趋势，在pH为1到3之间，吸附量快速上升，当pH达到5时，吸附量趋于平缓，当pH继续增大时，吸附量也随之攀升，但攀升的幅度并不大。由此可以得知，当使用棉花杆生物炭作为吸附剂去除溶液中的汞时，为达到最佳效果，最适pH约为5。

以上对比说明棉花杆生物炭比现有生物炭更显著地吸附溶液中汞离子。

在本发明的所述的制备方法的优选实施例中，第二步骤中，所述水溶液中的棉花杆颗粒、氯化亚锡和三氯化铁的质量份比例处于100:6:30。

在本发明的所述的制备方法的优选实施例中，第四步骤中，所述乙二醇溶液中的棉花杆生物炭颗粒、乙二醇、氯化亚铁、氯化锌和硒粉的质量份比例处于100:700:5.5:22 :5.5。

在本发明的所述的制备方法的优选实施例中，第四步骤中，加入盐酸溶液调节pH值为5。

在本发明的所述的制备方法的优选实施例中，第一步骤中，棉花杆先通过自来水清洗完杂质后，再经由蒸馏水水洗2次后，剪切成1厘米的小段，所述小段在75 ℃中烘干，烘干后的小段经破碎设备粉碎后过60目筛得到棉花杆颗粒。

在本发明的所述的制备方法的优选实施例中，第三步骤中，所述混合物在马弗炉中氮气下以9 ℃/min的速度升温至380 ℃且持续5.5小时得到棉花杆生物炭颗粒。

本发明还提供了一种汞吸附剂，所述汞吸附剂包括所述的制备方法制备的棉花杆生物炭、硫化钙和亚硒酸钠，其中，棉花杆生物炭、硫化钙和亚硒酸钠的质量份比例处于100:(20-30): (40-60)。所述汞吸附剂特别适用于土壤的重金属处理，汞吸附剂很合施加到土壤中，可有效改善土壤环境，特别是在偏酸性的土壤中，棉花杆生物炭显著增强的比表面积和多孔结构以及附着的粒子显著地吸收土壤中的汞，硫化钙进一步促进汞的矿化，亚硒酸钠利用硒和汞的拮抗效应弱化汞的生物有效性，显著降低农作物的汞含量。本发明的汞吸附剂具有良好的土壤环境友好性，不会产生二次污染，成本低且操作简便。

本发明还提供了一种实施所述基于棉花杆的生物炭制备方法的制备系统，如图6所示的实施所述基于棉花杆的生物炭制备方法的制备系统的结构示意图，制备系统包括预处理装置1、混合装置2、炭化装置3、处理装置4和控制装置5。

所述预处理装置1包括用于清洗棉花杆的清洗设备6、烘干设备7和用于粉碎棉花杆的破碎设备8，所述烘干设备7设有第一温度传感器9，所述破碎设备8设有转速传感器10。

所述混合装置2设有定量注入水溶液的输液阀11、第一浓度传感器12和用于干燥所述水溶液的干燥模块13，所述干燥模块13设有第二温度传感器14。

所述炭化装置3包括马弗炉15和第三温度传感器16。

所述处理装置4设有定量注入乙二醇溶液的注液阀17、第二浓度传感器18、酸碱度传感器19、用于定量加入酸溶液的注酸口20、用于搅拌的搅拌器21、加热模块22和真空干燥器23，其中，加热模块22和真空干燥器23分别设有第四温度传感器24和第五温度传感器25。

所述控制装置5连接所述第一、第二、第三、第四和第五温度传感器9、14、16、24、25、第一、第二浓度传感器12、18、酸碱度传感器19和转速传感器10并分别控制所述烘干设备7、干燥模块13、加热模块22和真空干燥器23的温度、破碎设备8的转速以及混合装置2和处理装置4的浓度。

在所述的制备系统的优选实施例中，控制装置5包括通用处理器、数字信号处理器、PLC控制板、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA。

在所述的制备系统的优选实施例中，控制装置5包括存储器，所述存储器为一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。

在一个实施方式中，所述制备系统还设有远程控制器，所述远程控制器通过无线通信设备连接制备系统并发送和接收控制信号。所述无线通信设备包括蓝牙、ZigBee或Wi-Fi模块。

工业实用性

本发明的基于棉花杆的生物炭制备方法、制备系统以及汞吸收剂可以在生物炭领域制造并使用。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种基于棉花杆的生物炭制备方法，其步骤包括：

第一步骤中，棉花杆进行水洗后剪切成0.5-1.5厘米的小段，所述小段在70 ℃-80 ℃中烘干，烘干后的小段经破碎设备粉碎后过60目筛得到棉花杆颗粒；

第二步骤中，棉花杆颗粒加入含有氯化亚锡和三氯化铁的水溶液中浸渍3-4小时后在80 ℃-90 ℃中干燥4-5小时得到混合物，所述水溶液中的棉花杆颗粒、氯化亚锡和三氯化铁的质量份比例处于100:(5-8):(20-40)；

第三步骤中，所述混合物在马弗炉中氮气下以8-10 ℃/min的速度升温至350-400 ℃且持续5-6小时得到棉花杆生物炭颗粒；

第四步骤中，所述棉花杆生物炭颗粒在含有氯化亚铁、氯化锌和硒粉的乙二醇溶液中通入氯气下以150-160 ℃搅拌2-3小时后，加入酸溶液调节pH值为4.5-6，然后以40-50 ℃真空干燥6-7小时获得棉花杆生物炭，其中，所述乙二醇溶液中的棉花杆生物炭颗粒、乙二醇、氯化亚铁、氯化锌和硒粉的质量份比例处于100:(600-800):(5-6) :(20-24) :(5-6)。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，第二步骤中，所述水溶液中的棉花杆颗粒、氯化亚锡和三氯化铁的质量份比例处于100:6:30。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，第四步骤中，所述乙二醇溶液中的棉花杆生物炭颗粒、乙二醇、氯化亚铁、氯化锌和硒粉的质量份比例处于100:700:5.5:22 :5.5。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，第四步骤中，加入盐酸溶液调节pH值为5。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，第一步骤中，棉花杆先通过自来水清洗完杂质后，再经由蒸馏水水洗2次后，剪切成1厘米的小段，所述小段在75 ℃中烘干，烘干后的小段经破碎设备粉碎后过60目筛得到棉花杆颗粒。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，第三步骤中，所述混合物在马弗炉中氮气下以9 ℃/min的速度升温至380 ℃且持续5.5小时得到棉花杆生物炭颗粒。

7.一种汞吸附剂，所述汞吸附剂包括根据权利要求1~6中任一项所述的制备方法制备的棉花杆生物炭、硫化钙和亚硒酸钠，其中，棉花杆生物炭、硫化钙和亚硒酸钠的质量份比例处于100:(20-30): (40-60)。

8.一种实施权利要求1-6中任一项所述基于棉花杆的生物炭制备方法的制备系统，其包括预处理装置（1）、混合装置（2）、炭化装置（3）、处理装置（4）和控制装置（5），其特征在于，

所述预处理装置（1）包括用于清洗棉花杆的清洗设备（6）、烘干设备（7）和用于粉碎棉花杆的破碎设备（8），所述烘干设备（7）设有第一温度传感器（9），所述破碎设备（8）设有转速传感器（10）；

所述混合装置（2）设有定量注入水溶液的输液阀（11）、第一浓度传感器（12）和用于干燥所述水溶液的干燥模块（13），所述干燥模块（13）设有第二温度传感器（14）；

所述炭化装置（3）包括马弗炉（15）和第三温度传感器（16）；

所述处理装置（4）设有定量注入乙二醇溶液的注液阀（17）、第二浓度传感器（18）、酸碱度传感器（19）、用于定量加入酸溶液的注酸口（20）、用于搅拌的搅拌器（21）、加热模块（22）和真空干燥器（23），其中，加热模块（22）和真空干燥器（23）分别设有第四温度传感器（24）和第五温度传感器（25）；

所述控制装置（5）连接所述第一、第二、第三、第四和第五温度传感器（9、14、16、24、25）、第一、第二浓度传感器（12、18）、酸碱度传感器（19）和转速传感器（10）并分别控制所述烘干设备（7）、干燥模块（13）、加热模块（22）和真空干燥器（23）的温度、破碎设备（8）的转速以及混合装置（2）和处理装置（4）的浓度。

9.根据权利要求8所述的制备系统，其中，

控制装置（5）包括通用处理器、数字信号处理器、PLC控制板、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA。

10.根据权利要求8或9所述的制备系统，其特征在于：控制装置（5）包括存储器，所述存储器为一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。