CN107583609A - 一种改性山竹壳生物炭及利用其降低水体中钒的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改性山竹壳生物炭及利用其降低水体中钒的方法，属于冶金领域。改性山竹壳生物炭，由以下方法制备得到：山竹果皮清洗后，经高温真空加热、洗涤、烘干，得粉末状材料，与氢氧化钠溶液混合，经振荡、抽滤，得滤饼，滤饼经洗涤、烘干，得改性山竹壳生物炭。利用上述改性山竹壳生物炭降低水体中钒的方法，包括以下步骤：将改性山竹壳生物炭与含钒废水混合，经振荡、抽滤，得净化溶液。本发明利用改性山竹壳生物炭降低水体中钒，不仅实现了废弃物再利用，还能够有效回收利用废水中的钒，减轻钒对环境的影响，具有显著的社会效益。

Description

一种改性山竹壳生物炭及利用其降低水体中钒的方法

技术领域

本发明属于冶金领域，具体涉及一种改性山竹壳生物炭及利用其降低水体中钒的方法。

背景技术

近年来随着工农业不断发展，矿山开采、工农业活动等也随着增大，大量重金属离子进入水体中，对水体质量和人体健康有着不良的影响。目前水体中重金属离子的去除成为了研究重点，主要的研究方法包括：化学沉淀法、化学絮凝法、电化学法和生物吸附法。

其中化学沉淀法主要包括铁屑沉淀法、二氧化硫沉淀法和钡盐沉淀法。离子交换树脂是一种人工合成的含有大量活性可交换基团的高分子功能材料，树脂上的可交换离子与废水中的金属离子进行交换反应，将金属离子置换到离子交换树脂上，从而达到去除金属离子的效果。吸附法是指利用多孔性的固体吸附剂将水样中的一种或多种重金属离子吸附于表面，再通过解吸作用达到分离和富集重金属的目的。吸附材料主要包括多孔碳材料吸附剂、高岭土等无机吸附剂、腐殖酸等有机吸附剂以及生物吸附剂。能够从溶液中分离重金属离子的生物体或其衍生物都被叫做生物吸附材料。生物吸附法是处理水体中重金属污染的一类重要方法，该方法处理效率高、运行成本低、无二次污染且可重复利用。

生物吸附法当前常用的吸附剂有树脂、壳聚糖、硅藻土、膨润土、活性炭，但利用生物材料如花生壳、椰壳等农林废弃物以及蟹壳、贝壳等非活体生物组织，处理含钒废水的相关研究仍较少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型改性山竹壳生物炭。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是提供了一种改性山竹壳生物炭，其由以下方法制备得到：

A、取山竹果皮，清洗后，经高温真空加热、洗涤、烘干，得山竹壳生物炭，粉碎后得到粉末状材料；

B、将步骤A所得粉末状材料与氢氧化钠溶液混合，经振荡、抽滤，得滤饼，滤饼经洗涤、烘干，得改性山竹壳生物炭。

其中，上述所述的改性山竹壳生物炭中，步骤A中，所述高温真空加热的温度为400～600℃，真空度为0.01～0.10MPa。

其中，上述所述的改性山竹壳生物炭中，步骤A中，所述粉末状材料的粒度为过100目筛，取筛下物。

其中，上述所述的改性山竹壳生物炭中，步骤B中，所述氢氧化钠溶液的浓度为60～100g/L。

其中，上述所述的改性山竹壳生物炭中，步骤B中，所述粉末状材料与氢氧化钠溶液的固液比为1：10～50；其中，粉末状材料以质量计，氢氧化钠溶液以体积计。

其中，上述所述的改性山竹壳生物炭中，步骤B中，所述振荡的速度为100～400rpm。

其中，上述所述的改性山竹壳生物炭中，步骤B中，所述振荡的时间为6～12h。

本发明还提供了利用上述改性山竹壳生物炭降低水体中钒的方法，包括以下步骤：

将改性山竹壳生物炭与含钒废水混合，经振荡、抽滤，得净化溶液。

其中，上述所述的利用改性山竹壳生物炭降低水体中钒的方法中，所述含钒废水的钒浓度为20～200mg/L。

其中，上述所述的利用改性山竹壳生物炭降低水体中钒的方法中，所述改性山竹壳生物炭与含钒废水的固液比为1：5～10；其中，改性山竹壳生物炭以质量计，含钒废水以体积计。

其中，上述所述的利用改性山竹壳生物炭降低水体中钒的方法中，所述振荡的转速为100～400rpm。

其中，上述所述的利用改性山竹壳生物炭降低水体中钒的方法中，所述振荡的温度为10～100℃。

其中，上述所述的利用改性山竹壳生物炭降低水体中钒的方法中，所述振荡的时间为3～12h。

本发明的有益效果是：

本发明先将山竹壳制得山竹壳生物炭，生物炭材料表面富含多种官能团和大量的孔隙结构，具有很好的吸附效果；再经过适当浓度的氢氧化钠溶液改性处理，改性山竹壳生物炭具有更多的吸附位点，羧基、羟基等具有吸附性质的官能团裸露出来并形成完全的小孔和中孔，山竹壳生物炭在改性过程中化学基团与钠离子结合，能有效地增加离子交换效率，一方面增强了山竹壳生物炭吸附性能，一方面增大了比表面积，与未经过改性处理的生物材料相比，改性山竹壳生物炭更适合应用于废水中重金属离子的去除；山竹壳作为一种农林废弃物，在农业和食品加工业中产量巨大，本发明利用改性山竹壳生物炭降低水体中钒，不仅实现了废弃物再利用，还能够有效回收利用废水中的钒，减轻钒对环境的影响，具有显著的社会效益。

具体实施方式

具体的，一种改性山竹壳生物炭，其由以下方法制备得到：

A、取山竹果皮，清洗后，经高温真空加热、洗涤、烘干，得山竹壳生物炭，粉碎后得到粉末状材料；

B、将步骤A所得粉末状材料与氢氧化钠溶液混合，经振荡、抽滤，得滤饼，滤饼经洗涤、烘干，得改性山竹壳生物炭。

果皮是生产和生活中一种常见的农林废弃物，同时也是一类重要的天然植物材料，其中含有大量的纤维素、木质素等成分，因此其官能团种类丰富，数量巨大，这些官能为吸附作用的发生奠定了基础；其次，由于农林废弃物大都具有粗糙的表面和多孔隙的内部结构，这就决定了其表面可以提供大量的吸附位点用以吸附重金属离子。本发明采用山竹壳作为吸附材料，先将山竹壳制备为山竹壳生物炭，利用氢氧化钠溶液对山竹壳生物炭进行了改性处理，增强了其吸附能力；山竹壳体积较大，为了使生物材料受热均匀，加快制备效率，一般可剪成1～5cm²小块均可；洗涤时，为了保证清洗干净，一般用清水洗涤不少于2次后，再用去离子水洗涤不少于2次；此外，大部分生物材料含水率均比较高，如果不及时处理可能会腐坏，因此一般情况下将新鲜材料经过洗涤、烘干、粉碎等预处理措施，再做改性处理。

山竹果皮清洗后，一般在马弗炉中进行高温真空加热，高温真空加热的温度为400～600℃，真空度为真空度0.01～0.10MPa；高温真空加热至肉眼观察呈均匀黑褐色粉末状即可，一般时间为3～6h，

本发明方法步骤A中，制得山竹壳生物炭后需进行粉碎处理，使颗粒较大的吸附剂通过外力破碎的方法，使粒径大小合适、均匀，提高其吸附率，因此粉末状材料的粒度为过100目筛，取筛下物。

经过适当浓度的氢氧化钠溶液改性处理之后，山竹壳生物炭具有更多的吸附位点，羧基、羟基等具有吸附性质的官能团裸露出来并形成完全的小孔和中孔，一方面增强了山竹壳生物炭吸附性能，一方面增大了比表面积，因此本发明采用的氢氧化钠浓度范围为60～100g/L；步骤A所得粉末状材料与氢氧化钠溶液的固液比为1：10～50；其中，粉末状材料以质量计，氢氧化钠溶液以体积计。

步骤B中，振荡可在振荡机中进行；为了实验安全，振荡时一般可用封口膜封住瓶口，封口与否对改性效果没有影响。

在本发明方法中改性方法、固液比、溶液性质等因素影响下，设定振荡的速度为100～400rpm，振荡的时间为6～12h，能够获得性能优异的改性山竹壳生物炭；振荡在室温(即10～40℃)下进行即可。

本发明还提供了利用上述改性山竹壳生物炭降低水体中钒的方法，包括以下步骤：

将改性山竹壳生物炭与含钒废水混合，经振荡、抽滤，得净化溶液。

其中，上述所述的利用改性山竹壳生物炭降低水体中钒的方法中，所述含钒废水的钒浓度为20～200mg/L。

利用本发明的改性山竹壳生物炭能够高效降低水体中钒，使用时改性山竹壳生物炭与含钒废水的固液比为1：5～10；其中，改性山竹壳体生物炭以质量计，含钒废水以体积计。

上述固液比中，质量和体积是采用同等级的单位比较，例如质量以g为单位，体积以mL为单位。

其中，利用改性山竹壳降低水体中钒时，根据改性材料、吸附方法、固液比、含钒废水等因素，转速较低会影响实验结果，转速较高不安全，因此设定振荡的转速为100～400rpm，时间为3-24h；振荡一般在室温(即10～40℃)下进行即可，升高温度可提高吸附效率，因此，振荡温度也可为10～100℃。

在经过吸附反应后，大量的钒会富集在生物材料中，因此可以将生物材料收集起来，用解析的方法使钒析出，回收利用钒。

下面通过试验例和实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此将本发明保护范围限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

本实施例改性山竹壳生物炭由以下方法制备得到：

A、取新鲜山竹果皮，用剪刀剪成1cm²小块，用清水浸泡洗去果皮表面的泥沙，用清水洗涤2次后再用去离子水洗涤2次；将山竹壳置于马弗炉中，在550℃、真空度0.05MPa条件下，高温真空加热4h，用去离子水洗去灰分，105℃烘干至恒重，得到山竹壳生物炭，用粉碎机打碎后，用100目标准分样筛筛分，取筛下物，得粉末状材料，封袋待用；

B、将60g氢氧化钠溶解于1000mL去离子水中，配置成60g/L的氢氧化钠溶液；称取30g步骤A所得粉末状材料于1000mL锥形瓶中，加入300mL浓度为60g/L的氢氧化钠溶液，用封口膜封住瓶口，室温条件下置于恒温振荡器中200rpm振荡6h，抽滤，滤渣用去离子水冲洗至溶液pH约为7，将滤渣烘干至恒重，制得改性山竹壳生物炭。

利用上述改性山竹壳生物炭降低水体中钒的方法，包括以下步骤：

称取5g改性山竹壳生物炭置于锥形瓶中，加入50mL含钒废水(钒浓度为100mg/L)，室温条件下置于恒温振荡器中200rpm振荡3h，抽滤，检测滤液中钒含量，经计算得，钒去除率为28.60％。

实施例2

本实施例改性山竹壳生物炭由以下方法制备得到：

A、取新鲜山竹果皮，用剪刀剪成1cm²小块，用清水浸泡洗去果皮表面的泥沙，用清水洗涤2次后再用去离子水洗涤2次；将山竹壳置于马弗炉中，在550℃、真空度0.06MPa条件下，高温真空加热4h，用去离子水洗去灰分，105℃烘干至恒重，得到山竹壳生物炭，用粉碎机打碎后，用100目标准分样筛筛分，取筛下物，得粉末状材料，封袋待用；

B、将80g氢氧化钠溶解于1000mL去离子水中，配置成80g/L的氢氧化钠溶液；称取20g步骤A所得粉末状材料于1000mL锥形瓶中，加入400mL浓度为80g/L的氢氧化钠溶液，用封口膜封住瓶口，室温条件下置于恒温振荡器中200rpm振荡8h，抽滤，滤渣用去离子水冲洗至溶液pH约为7，将滤渣烘干至恒重，制得改性山竹壳生物炭。

利用上述改性山竹壳生物炭降低水体中钒的方法，包括以下步骤：

称取10g改性山竹壳生物炭置于锥形瓶中，加入50mL含钒废水(钒浓度为80mg/L)，室温条件下置于恒温振荡器中200rpm振荡3h，抽滤，检测滤液中钒含量，经计算得，钒去除率为23.12％。

实施例3

本实施例改性山竹壳生物炭由以下方法制备得到：

A、取新鲜山竹果皮，用剪刀剪成1cm²小块，用清水浸泡洗去果皮表面的泥沙，用清水洗涤2次后再用去离子水洗涤2次；将山竹壳置于马弗炉中，在550℃、真空度0.08MPa条件下，高温真空加热4h，用去离子水洗去灰分，105℃烘干至恒重，得到山竹壳生物炭，用粉碎机打碎后，用100目标准分样筛筛分，取筛下物，得粉末状材料，封袋待用；

B、将100g氢氧化钠溶解于1000mL去离子水中，配置成100g/L的氢氧化钠溶液；称取10g步骤A所得粉末状材料于1000mL锥形瓶中，加入500mL浓度为100g/L的氢氧化钠溶液，用封口膜封住瓶口，室温条件下置于恒温振荡器中200rpm振荡12h，抽滤，滤渣用去离子水冲洗至溶液pH约为7，将滤渣烘干至恒重，制得改性山竹壳生物炭。

利用上述改性山竹壳生物炭去除水体中钒的方法，包括以下步骤：

称取10g改性山竹壳生物炭置于锥形瓶中，加入50mL含钒废水(钒浓度为120mg/L)，室温条件下置于恒温振荡器中200rpm振荡12h，抽滤，检测滤液中钒含量，经计算得，钒去除率为31.86％。

Claims (10)

1.改性山竹壳生物炭，其特征在于：由以下方法制备得到：

A、取山竹果皮，清洗后，经高温真空加热、洗涤、烘干，得山竹壳生物炭，粉碎后得到粉末状材料；

B、将步骤A所得粉末状材料与氢氧化钠溶液混合，经振荡、抽滤，得滤饼，滤饼经洗涤、烘干，得改性山竹壳生物炭。

2.根据权利要求1所述的改性山竹壳生物炭，其特征在于：步骤A中，所述高温真空加热的温度为400～600℃，真空度为0.01～0.10MPa。

3.根据权利要求1或2所述的改性山竹壳生物炭，其特征在于：步骤A中，所述粉末状材料的粒度为过100目筛，取筛下物。

4.根据权利要求1所述的改性山竹壳生物炭，其特征在于：步骤B中，所述氢氧化钠溶液的浓度为60～100g/L；所述粉末状材料与氢氧化钠溶液的固液比为1：10～50；其中，粉末状材料以质量计，氢氧化钠溶液以体积计。

5.根据权利要求1～4任一项所述的改性山竹壳生物炭，其特征在于：步骤B中，所述振荡的速度为100～400rpm，时间为6～12h。

6.利用改性山竹壳生物炭降低水体中钒的方法，其特征在于：包括以下步骤：

将权利要求1～5任一项所述的改性山竹壳生物炭与含钒废水混合，经振荡、抽滤，得净化溶液。

7.根据权利要求6所述的利用改性山竹壳生物炭降低水体中钒的方法，其特征在于：所述含钒废水的钒浓度为20～200mg/L。

8.根据权利要求6或7所述的利用改性山竹壳生物炭降低水体中钒的方法，其特征在于：所述改性山竹壳生物炭与含钒废水的固液比为1：5～10；其中，改性山竹壳生物炭以质量计，含钒废水以体积计。

9.根据权利要求6所述的利用改性山竹壳生物炭降低水体中钒的方法，其特征在于：所述振荡的转速为100～400rpm，温度为10～100℃。

10.根据权利要求6～9任一项所述的利用改性山竹壳生物炭降低水体中钒的方法，其特征在于：所述振荡的时间为3～12h。