CN108285134A - 一种生物炭基复合材料的制备方法 - Google Patents

一种生物炭基复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物炭基复合材料的制备方法，包括以下步骤：首先将自制的橘子皮粉末和尿素溶液混合搅拌、冻干处理，制得预处理橘子皮粉末；然后将其与累托石粉末混合后置于惰性气体中进行煅烧处理，然后在含氮气氛中，进行球磨处理，过筛处理，进行酸洗、水洗、过滤、干燥，制得生物炭基复合材料。本发明公开的生物炭基复合材料稳定性好，吸附容量大，吸附能力强，且制备方法简单，制备成本低。

Description

一种生物炭基复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及复合材料的制备领域，具体的涉及一种生物炭基复合材料的制备方法。
背景技术：
生物炭一般是指生物质原材料在厌氧或缺氧的条件下，经一定的温度(＜700℃)热解产生的含碳量高、具有较大比表面积的固体生物燃料，也称为生物质炭。常见的生物炭包括木炭、稻壳炭、秸秆炭和竹炭等。它们主要由芳香烃和单质碳或具有石墨结构的碳组成，除了C元素，还包括H、O、N、S以及少量的微量元素。虽然生物炭的性质受制备条件的影响较大，但总体来说，生物炭比表面积大、容重小、稳定性高、吸附能力强，被广泛应用于生态修复、农业和环保领域。将生物炭添加到土壤中，不仅可以增加土壤肥力，提高农作物产量，还能够有效吸附土壤或沉积物中的重金属(如Pb2+、Cd2+、Hg2+等)和有机污染物(如农药、PAHs等)。同时，生物炭具有很高的化学稳定性、难以被微生物降解，可以起到固定大气碳素、增汇减排、缓解气候变化的作用。生物炭来源广泛，是一种更环保、更具成本效益的材料，因而有利于其在环境修复中推广应用。但是单纯的生物炭材料吸附能力较弱，需将其与其他材料复合，复合之后材料的综合性能优于原组成材料，可满足各种不同的要求。
专利(201710874767.0)公开了一种生物炭/膨润土复合材料及其制备方法，该生物炭/膨润土复合材料的制备方法包括：在惰性气体的保护下，采用程序升温法将混合在一起的膨润土和薯皮进行加热反应，使得烘干预混物中的粉状废弃薯皮炭化，得到生物炭/膨润土复合材料。该方法制得的复合材料孔隙率以及孔径需要进一步改善。
发明内容：
本发明的目的是针对现有技术的不足，本发明提供了一种生物基复合材料的制备方法，其吸附容量大，吸附能力强，稳定性好。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种生物炭基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将橘子皮晒干洗净，粉碎，制得橘子皮粉末；将制得的橘子皮粉末和尿素溶液混合搅拌处理10-15h，然后冻干处理，制得预处理橘子皮粉末；
(2)将上述制得的预处理橘子皮粉末和累托石粉末混合后置于惰性气体气氛下煅烧处理，制得混合粉末；
(3)将上述制得的混合粉末置于含氮气氛下，进行球磨处理，然后过200目筛，依次进行酸洗、水洗、过滤、干燥，制得生物炭基复合材料。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述尿素溶液的质量浓度为13-22wt％。
作为上述技术方案的优选，所述橘子皮粉末和尿素溶液的用量比为(0.3-1)g：3mL。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述搅拌处理的转速为1500-3500rpm，搅拌处理的温度为30℃。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述冻干处理的温度为-50℃，所述冻干处理的时间为10-20h。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述预处理橘子皮粉末和累托石粉末的质量比为1：(1-3)。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述煅烧处理的温度450-800℃，时间为3-7h，惰性气体的流速为100-200sccm。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述含氮气氛为氮气、氨气中的一种或两种混合，其流速为200-500sccm。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述球磨处理的转速为20-70rpm，球磨时间为2-11h，球磨时的球料比为(3-15)：1。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述酸洗时采用的酸为稀盐酸、稀硝酸、稀硫酸、稀氢氟酸中的一种，其浓度为0.5-3.5mol/L。
本发明具有以下有益效果：
一方面，本发明以橘子皮为原料，首先采用尿素溶液进行处理，有效控制尿素溶液和橘子皮粉末的用量，有效调节孔道结构和尺寸，使得处理后的橘子皮粉末具有较多的孔径；
另一方面，本发明采用预处理后的橘子皮粉末和累托石粉末混合，在惰性气体气氛下进行煅烧处理，制得的材料稳定性好，强度得到进一步改善，且后续的研磨处理，有效改善了材料的比表面积，进一下改善了其吸附性能。
具体实施方式：
为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。
实施例1
一种生物炭基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将橘子皮晒干洗净，粉碎，制得橘子皮粉末；将制得的橘子皮粉末和质量浓度为13wt％的尿素溶液混合，在1500rpm，30℃下搅拌处理10h，然后在-50℃下冻干处理10h，制得预处理橘子皮粉末；其中，橘子皮粉末和尿素溶液的用量比为0.3g：3mL；煅烧处理的温度450℃，时间为3h，惰性气体的流速为100-200sccm；
(2)将上述制得的预处理橘子皮粉末和累托石粉末混合后置于惰性气体气氛下煅烧处理，制得混合粉末；其中，所述预处理橘子皮粉末和累托石粉末的质量比为1：1；
(3)将上述制得的混合粉末置于含氮气氛下，进行球磨处理，然后过200目筛，依次进行酸洗、水洗、过滤、干燥，制得生物炭基复合材料；其中，所述含氮气氛为氮气，其流速为200sccm；所述酸洗时采用的酸为稀盐酸，其浓度为0.5mol/L。
实施例2
一种生物炭基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将橘子皮晒干洗净，粉碎，制得橘子皮粉末；将制得的橘子皮粉末和质量浓度为22wt％的尿素溶液混合，在3500rpm，30℃下搅拌处理15h，然后在-50℃下冻干处理20h，制得预处理橘子皮粉末；其中，橘子皮粉末和尿素溶液的用量比为1g：3mL；煅烧处理的温度800℃，时间为7h，惰性气体的流速为100-200sccm；
(2)将上述制得的预处理橘子皮粉末和累托石粉末混合后置于惰性气体气氛下煅烧处理，制得混合粉末；其中，所述预处理橘子皮粉末和累托石粉末的质量比为1：3；
(3)将上述制得的混合粉末置于含氮气氛下，进行球磨处理，然后过200目筛，依次进行酸洗、水洗、过滤、干燥，制得生物炭基复合材料；其中，所述含氮气氛为氮气，其流速为500sccm；所述酸洗时采用的酸为稀盐酸，其浓度为3.5mol/L。
实施例3
一种生物炭基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将橘子皮晒干洗净，粉碎，制得橘子皮粉末；将制得的橘子皮粉末和质量浓度为15wt％的尿素溶液混合，在2000rpm，30℃下搅拌处理11h，然后在-50℃下冻干处理12h，制得预处理橘子皮粉末；其中，橘子皮粉末和尿素溶液的用量比为0.4g：3mL；煅烧处理的温度500℃，时间为4h，惰性气体的流速为100-200sccm；
(2)将上述制得的预处理橘子皮粉末和累托石粉末混合后置于惰性气体气氛下煅烧处理，制得混合粉末；其中，所述预处理橘子皮粉末和累托石粉末的质量比为1：1.5；
(3)将上述制得的混合粉末置于含氮气氛下，进行球磨处理，然后过200目筛，依次进行酸洗、水洗、过滤、干燥，制得生物炭基复合材料；其中，所述含氮气氛为氮气，其流速为300sccm；所述酸洗时采用的酸为稀硝酸，其浓度为1mol/L。
实施例4
一种生物炭基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将橘子皮晒干洗净，粉碎，制得橘子皮粉末；将制得的橘子皮粉末和质量浓度为17wt％的尿素溶液混合，在2000rpm，30℃下搅拌处理12h，然后在-50℃下冻干处理14h，制得预处理橘子皮粉末；其中，橘子皮粉末和尿素溶液的用量比为0.5g：3mL；煅烧处理的温度700℃，时间为5h，惰性气体的流速为100-200sccm；
(2)将上述制得的预处理橘子皮粉末和累托石粉末混合后置于惰性气体气氛下煅烧处理，制得混合粉末；其中，所述预处理橘子皮粉末和累托石粉末的质量比为1：2；
(3)将上述制得的混合粉末置于含氮气氛下，进行球磨处理，然后过200目筛，依次进行酸洗、水洗、过滤、干燥，制得生物炭基复合材料；其中，所述含氮气氛为氨气，其流速为400sccm；所述酸洗时采用的酸为稀硫酸，其浓度为2mol/L。
实施例5
一种生物炭基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将橘子皮晒干洗净，粉碎，制得橘子皮粉末；将制得的橘子皮粉末和质量浓度为20wt％的尿素溶液混合，在3000rpm，30℃下搅拌处理13h，然后在-50℃下冻干处理16h，制得预处理橘子皮粉末；其中，橘子皮粉末和尿素溶液的用量比为0.7g：3mL；煅烧处理的温度750℃，时间为5h，惰性气体的流速为100-200sccm；
(2)将上述制得的预处理橘子皮粉末和累托石粉末混合后置于惰性气体气氛下煅烧处理，制得混合粉末；其中，所述预处理橘子皮粉末和累托石粉末的质量比为1：2；
(3)将上述制得的混合粉末置于含氮气氛下，进行球磨处理，然后过200目筛，依次进行酸洗、水洗、过滤、干燥，制得生物炭基复合材料；其中，所述含氮气氛为氨气，其流速为400sccm；所述酸洗时采用的酸为稀硫酸，其浓度为2mol/L。
实施例6
一种生物炭基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将橘子皮晒干洗净，粉碎，制得橘子皮粉末；将制得的橘子皮粉末和质量浓度为21wt％的尿素溶液混合，在3500rpm，30℃下搅拌处理14h，然后在-50℃下冻干处理18h，制得预处理橘子皮粉末；其中，橘子皮粉末和尿素溶液的用量比为0.8g：3mL；煅烧处理的温度800℃，时间为6.5h，惰性气体的流速为100-200sccm；
(2)将上述制得的预处理橘子皮粉末和累托石粉末混合后置于惰性气体气氛下煅烧处理，制得混合粉末；其中，所述预处理橘子皮粉末和累托石粉末的质量比为1：2.5；
(3)将上述制得的混合粉末置于含氮气氛下，进行球磨处理，然后过200目筛，依次进行酸洗、水洗、过滤、干燥，制得生物炭基复合材料；其中，所述含氮气氛为氨气，其流速为500sccm；所述酸洗时采用的酸为稀氢氟酸，其浓度为3mol/L。
将上述制得的生物炭基复合材料用于Pb2+的吸附处理中，结果如下，其中，对比例1为纯生物炭材料，对比文件2为累托石材料。
吸附容量(mg/g) 去除率，％
实施例1 135 93
实施例2 142 95
实施例3 132 97
实施例4 135 93
实施例5 143 94
实施例6 142 96
对比例1 106 79
对比例2 100 73
从上述表格来看，本发明制得的复合材料具有优异的吸附性能。

Claims (10)

1.一种生物炭基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将橘子皮晒干洗净，粉碎，制得橘子皮粉末；将制得的橘子皮粉末和尿素溶液混合搅拌处理10-15h，然后冻干处理，制得预处理橘子皮粉末；
(2)将上述制得的预处理橘子皮粉末和累托石粉末混合后置于惰性气体气氛下煅烧处理，制得混合粉末；
(3)将上述制得的混合粉末置于含氮气氛下，进行球磨处理，然后过200目筛，依次进行酸洗、水洗、过滤、干燥，制得生物炭基复合材料。
2.如权利要求1所述的一种生物炭基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述尿素溶液的质量浓度为13-22wt％。
3.如权利要求1所述的一种生物炭基复合材料的制备方法，其特征在于：所述橘子皮粉末和尿素溶液的用量比为(0.3-1)g：3mL。
4.如权利要求1所述的一种生物炭基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述搅拌处理的转速为1500-3500rpm，搅拌处理的温度为30℃。
5.如权利要求1所述的一种生物炭基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述冻干处理的温度为-50℃，所述冻干处理的时间为10-20h。
6.如权利要求1所述的一种生物炭基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述预处理橘子皮粉末和累托石粉末的质量比为1：(1-3)。
7.如权利要求1所述的一种生物炭基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述煅烧处理的温度450-800℃，时间为3-7h，惰性气体的流速为100-200sccm。
8.如权利要求1所述的一种生物炭基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述含氮气氛为氮气、氨气中的一种或两种混合，其流速为200-500sccm。
9.如权利要求1所述的一种生物炭基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述球磨处理的转速为20-70rpm，球磨时间为2-11h，球磨时的球料比为(3-15)：1。
10.如权利要求1所述的一种生物炭基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述酸洗时采用的酸为稀盐酸、稀硝酸、稀硫酸、稀氢氟酸中的一种，其浓度为0.5-3.5mol/L。
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