CN109046241A - 一种基于蟹壳生物质炭油污吸附剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蟹壳生物质炭吸附剂的制备方法及其吸附废水中油污的方法，属于废水处理技术领域。蟹壳经高温煅烧后，蟹壳结构发生变化，再经过一定条件的改性，增大其比表面积，丰富表面孔道结构，从而提高其对柴油的吸附作用；将改性后的蟹壳生物质炭吸附剂加入到含油废水中，在pH为5‑8、温度30‑50℃条件下作用2‑5h，蟹壳生物质炭对柴油的吸附率达到90％以上。有益效果：本发明制备工艺简单，成本低廉，产品对环境无二次污染，可被自然降解，具有产业化前景。

Description

一种基于蟹壳生物质炭油污吸附剂的制备方法
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，尤其是涉及一种蟹壳生物质炭吸附剂的制备方法及其吸附废水中油污的方法。
技术背景
通常将从地下直接提取的油被称之为原油，原油经过各种步骤提炼后可以制成多种不同的石油制品，柴油就是石油通过提炼而成的。在石油的生产以及运输的各个环节中，会产生大量被石油及其衍生物污染的废水，将其称之为含油废水。含油废水来源广泛,在石油工业的开采、提炼、储存、运输等各个过程及石油化学工业的生产中都会产生大量含油废水。被柴油污染过的水域还会存在柴油衍生物以及微生物等污染物，而且柴油污染对地表水、地下水和土壤等生态系统,以及对动植物生长和人类身心健康都会造成危害。
传统的处理油污方法有物理法、化学法、生物法、电化学与物理化学法等，而生物质炭吸附剂是一种典型的生物吸附剂，是指由富含碳的生物质通过裂解或者不完全燃烧生成的一种形成的富碳固态生物质，具有发达的孔隙结构、高的比表面积以及丰富的表面官能团等特点。生物炭的来源十分广泛，可以是自然界中已经存在的或者可以再生的物质，有植物类废弃物包括落叶，农作物秸秆等，动物类的废弃物包括粪便等。
梭子蟹是一种常见的海洋生物，特别是在舟山这种沿海城市，梭子蟹一年的消耗量在国内数一数二，梭子蟹的蟹肉因为营养丰富，通常被人加工成食品，但是蟹壳作为一种下脚料大部分时候被丢弃，对环境造成负担的同时也是一种浪费。近年来对蟹壳的研究大部分注重的是各种成分的提取以及再利用，主要有甲壳素，蛋白，虾青素，壳聚糖，几丁寡糖等。蟹壳的主要成分为60％的钙质，20％的蛋白，20％的甲壳素，其余是1％的虾青素。甲壳素由于性质稳定,功能独特,生理活性强,安全性高并且可生物降解,被广泛应用于生物农药、食品、化工、医药、环保等领域,备受国内外研究者重视。
现有技术如授权公告号为CN 104826578 B的中国发明专利，公开了一种可用来处理含油污水的粉煤灰改性吸附剂及其制备方法，所述方法包括如下步骤：S1：将粉煤灰进行两步分段程序控温煅烧，得到煅烧处理粉煤灰；S2：将煅烧处理粉煤灰进行酸处理，得到酸性处理粉煤灰；S3：将酸性处理粉煤灰进行碱处理并煅烧，得到碱性处理粉煤灰；S4：将碱性处理粉煤灰进行改性，即得所述粉煤灰改性吸附剂；还包括使用所述粉煤灰改性吸附剂来处理含油污水的方法；该方法通过特定组分改性、特定工艺参数和操作步骤，从而使得最终得到的吸附剂具有优异的含油污水处理效果，可用于多个领域的含油污水处理中，具有良好的应用前景和工业化潜力。但是，该发明使用的粉煤灰改性工艺较复杂，且对废水油污的吸附效果差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备蟹壳生物质炭吸附剂的方法，其制备的改性蟹壳生物质炭，比表面积大、表面孔隙结构丰富，具有吸附容量大、吸附速率快的优点，有效提高了蟹壳生物质炭对油污的吸附性能。
本发明的目的还在于提供一种成本低廉、不会产生二次污染、可被自然降解的蟹壳生物质炭吸附油污的方法，其吸附率可90％以上。
本发明针对背景技术中提到的问题，采取的技术方案为：
一种基于蟹壳生物质炭油污吸附剂的制备方法，包括以下步骤：
将蟹壳用水清洗干净，烘干，置于高温管式炉中，在600℃-900℃温度条件下煅烧，过筛，得到蟹壳生物质炭；将蟹壳生物质炭与KOH混合改性，得到改性后的蟹壳生物质炭吸附剂；蟹壳经高温煅烧后得到生物质炭，比表面积大，表面微孔分布较广，是一种良好的生物质炭吸附剂；其组成含有一定质量分数的氧化物，如CaO，SiO2，Fe2O3等，当采用碱性溶液浸渍蟹壳生物质炭，可溶解一些碱溶性氧化物，将氧化物变为可溶性盐类，从而可使蟹壳生物质炭的灰分降低，进一步增大其比表面积，进而提高其吸附活性。
作为优选，改性的具体步骤为：将蟹壳生物质炭与KOH以1:2-5的料液比混合，加热至70-80℃；然后向所得体系中加入1-(3-羟基正丙基)环戊醇和苯基正丁基醚，持续搅拌反应2-4小时，然后冷却至室温，抽滤，用去离子水洗涤2-3次，110-120℃下干燥完全，得改性后蟹壳生物质炭吸附剂。
进一步优选，1-(3-羟基正丙基)环戊醇和苯基正丁基醚的加入量为体系质量的1.5-1.9％，且二者摩尔比为1-3:1；1-(3-羟基正丙基)环戊醇和苯基正丁基醚的特殊存在之一能够一定程度调节改性溶液的酸碱性，随着蟹壳生物质炭表面酸性官能团逐渐减少，碱性官能团逐渐增多，有助于酸、碱性官能团数量达到一个较平衡状态，从而使得改性后蟹壳生物质炭吸附剂能够对废水油污中的极性和非极性组分都有较强的吸附，提高了吸附容量；之二可与可溶性盐类发生乳化反应，避免了这些盐类物质对孔道造成堵塞，一方面增加了蟹壳生物质炭的比表面积，另一方面增加了蟹壳生物质炭表面微孔、中孔和大孔的数量，丰富了表面孔隙结构，从而提高了其吸附活性，此外其本身易挥发，也不会残留在蟹壳生物质炭表面孔道。
作为优选，蟹壳来自废弃的梭子蟹蟹壳。
作为优选，蟹壳生物质炭用于吸附含油废水中的油污。
作为优选，蟹壳生物质炭吸附油污的方法为：将改性后的蟹壳生物质炭加入到pH为5-8、温度30-50℃的含油废水中，吸附2-5h，对含油废水中的柴油进行吸附，吸附效果达到最好；其中蟹壳生物质炭的添加量为含油废水的0.05％-0.25％。
作为优选，在含油废水中加入(2Z，4E)-2,4-己二烯酸乙酯和乙酰吗喃，加入量为含油废水的0.006-0.009％和0.0002-0.0005％；(2Z，4E)-2,4-己二烯酸乙酯和乙酰吗喃发挥协同作用，能够加强亲附蟹壳生物质炭吸附剂的疏水基团使其暴露于表面，从而提高吸附剂的疏水性，加快其捕获油污的速率，进而提高其吸附速率，降低时间成本；同时能够提高油污分子的分散性，充分利用蟹壳生物质炭表面不同孔径的孔道对其吸附，最终提高油污吸附容量。
进一步优选，蟹壳生物质炭吸附含油废水中的油污，生物质炭的添加量为0.05％，(2Z，4E)-2,4-己二烯酸乙酯和乙酰吗喃的添加量为0.007％和0.0003％，废水pH为7，温度为30℃，吸附时间为250min。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
a、本发明的蟹壳生物质炭比表面积大，孔径分布范围广，吸附容量大，吸附率可95％以上；
b、与传统的物理法、化学法、生物法、电化学与物理化学法等吸附方法相比，本发明利用废弃的梭子蟹壳制备生物质炭吸附废水中的油污，成本低廉，不会产生二次污染，可被自然降解，有一定的产业化前景；
c、本发明制备的蟹壳生物质炭，不仅减轻了废弃蟹壳对环境的污染，同时提供了利用蟹壳的新途径，提高了蟹壳的利用价值，实现了资源的有效利用，为环境保护也做出了贡献。
附图说明
图1是本发明的改性前后蟹壳生物质炭的SEM图；
图2是实施例1中pH值对蟹壳生物质炭吸附油污效果的影响图；
图3是实施例2中温度对蟹壳吸附质炭吸附油污效果的影响图；
图4是实施例3中吸附时间对蟹壳生物质炭吸附油污效果的影响图；
图5是实施例4中投加量对蟹壳生物质炭吸附油污效果的影响图。
附图标记说明：A是改性前蟹壳生物质炭的SEM图；B是改性后蟹壳生物质炭的SEM图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明方案作进一步说明：
取一定量的蟹壳，清洗干净，将蟹壳置于600℃管式炉中煅烧，制成蟹壳生物质炭；将蟹壳生物质炭与KOH按料液比1:2的比例混合，加热至75℃；然后向所得体系中加入占体系质量1.6％的1-(3-羟基正丙基)环戊醇和苯基正丁基醚，二者摩尔比为2:1，持续搅拌反应3小时，冷却至室温，抽滤，用去离子水洗涤3次，115℃下干燥完全，得改性后蟹壳生物质炭A。
取一定量的蟹壳，清洗干净，将蟹壳置于700℃管式炉中煅烧，制成蟹壳生物质炭；将蟹壳生物质炭与KOH按料液比1:3的比例混合，加热至75℃；然后向所得体系中加入占体系质量1.6％的1-(3-羟基正丙基)环戊醇和苯基正丁基醚，二者摩尔比为2:1，持续搅拌反应3小时，冷却至室温，抽滤，用去离子水洗涤3次，115℃下干燥完全，得改性后蟹壳生物质炭B。
取一定量的蟹壳，清洗干净，将蟹壳置于800℃管式炉中煅烧，制成蟹壳生物质炭；将蟹壳生物质炭与KOH按料液比1:4的比例混合，加热至75℃；然后向所得体系中加入占体系质量1.6％的1-(3-羟基正丙基)环戊醇和苯基正丁基醚，二者摩尔比为2:1，持续搅拌反应3小时，冷却至室温，抽滤，用去离子水洗涤3次，115℃下干燥完全，得改性后蟹壳生物质炭C。
取一定量的蟹壳，清洗干净，将蟹壳置于900℃管式炉中煅烧，制成蟹壳生物质炭；将蟹壳生物质炭与KOH按料液比1:5的比例混合，加热至75℃；然后向所得体系中加入占体系质量1.6％的1-(3-羟基正丙基)环戊醇和苯基正丁基醚，二者摩尔比为2:1，持续搅拌反应3小时，冷却至室温，抽滤，用去离子水洗涤3次，115℃下干燥完全，得改性后蟹壳生物质炭D。
实施例1：
分别将200ml相同浓度的柴油溶液准确移入6个250ml的具塞锥形瓶中，用0.1mol/L的HCl以及0.1mol/L的NaOH把溶液的pH分别调整为2、4、6、7、8、10，准确投加0.2g改性后蟹壳生物质炭B于锥形瓶中，以140r/min的频率恒温震荡至吸附平衡后取上清液，以4000r/min速度离心10min，用紫外分光光度计测量石油醚萃取过的上清液的吸光度后得出柴油溶液的浓度，并计算出不同pH下蟹壳生物质炭的吸附率。
不同pH对吸附效果的影响如图2所示，可以看出，溶液的pH值对生物质炭的吸附效果影响较大，蟹壳生物质炭在pH小于4的强酸环境下，吸附效果较弱，特别是在pH为2时，生物质炭的吸附量为58.4mg/g；随着pH逐渐增大，在溶液环境为酸性时，吸附量迅速上升，从58.4mg/g上升到82.4mg/g，充分说明了蟹壳生物质炭的吸附过程非常依赖环境的pH体系；当pH达到7时，蟹壳生物质炭的吸附量达到最大，而当pH继续升高，溶液体系呈碱性时，吸附量开始下降，由此可知碱性环境与酸性环境一样不适合吸附过程；因此，适宜的蟹壳生物质炭吸附柴油的最佳pH值为7。
实施例2：
准确投加0.2g的改性后蟹壳生物质炭B于6个250ml的具塞锥形瓶中，分别将200ml相同浓度的柴油溶液准确移入锥形瓶中，分别在不同温度0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃下以140r/min的频率恒温震荡至吸附平衡，以4000r/min速度离心10min，用紫外分光光度计测量石油醚萃取过的上清液的吸光度后得出柴油溶液的浓度，并计算出不同温度对蟹壳生物质炭吸附油污的吸附率。
不同温度下蟹壳生物质炭对油污的吸附率见图3，可以看出，溶液的温度对蟹壳生物炭吸附柴油有一定的影响，但与其他因素相比，影响较小；由图3可知在0-30℃的温度范围内，蟹壳生物质炭对油污的吸附率随温度的升高而增大，当温度达到30℃时，蟹壳生物质炭对油污的吸附量达到最大，为90.4mg/g；随后，当温度继续升高，蟹壳生物质炭对油污的吸附率逐渐下降。
实施例3：
将温度设置为20℃，准确投加0.1g的改性后蟹壳生物质炭B于6个250ml的具塞锥形瓶中，分别将200ml相同浓度的柴油溶液准确移入锥形瓶中，用保鲜膜封口，以140r/min的频率恒温震荡，分别作用50min、100min、150min、200min、250min、300min，然后取上清液，以4000r/min速度离心10min，用紫外分光光度计测量石油醚萃取过的上清液的吸光度后得出柴油溶液的浓度，并计算出不同吸附时间下的吸附量；同时进行两组空白实验，第一组空白样是在锥形瓶中加入200ml未添加柴油的去离子水，并加入蟹壳生物质炭，以此来消除生物质炭溶解物对实验的干扰；第二组空白样是在锥形瓶中加入200ml相同浓度的柴油溶液，不添加蟹壳生物质炭，以此来消除柴油在吸附过程中自身挥发以及降解对实验的影响。
不同吸附时间条件下蟹壳生物质炭对油污的吸附率见图4，可以看出，吸附时间为250min开始达到吸附平衡后吸附量相对比较稳定，吸附基本达到饱和，由此认为250min为最佳吸附时间；虽然时间越久柴油的吸附量越大，但吸附速率却变慢，这是因为油是疏水物质，在水中是以细小的颗粒存在，在吸附的初期主要是由于生物质炭材料表面的吸附结合点与柴油细小颗粒的油滴发生碰撞产生粘附作用，到了后期，吸附位点越来越少，粘附作用减弱，所以吸附速率逐渐下降，吸附量渐渐达到平衡，变化不明显。
实施例4：
将温度设置为20℃，准确投加不同质量0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g的改性后蟹壳生物质炭B于5个250ml的具塞锥形瓶中，分别将200ml相同浓度的柴油溶液准确移入锥形瓶中，以140r/min的频率恒温震荡至吸附平衡后取上清液，以4000r/min速度离心10min，用紫外分光光度计测量石油醚萃取过的上清液的吸光度后得出柴油溶液的浓度，并计算出不同投放量下的吸附率。
不同生物质炭添加量下的油污吸附率见图5，可以看出蟹壳生物质炭的投加量对柴油吸附效果影响较大，随着投加量的增加，蟹壳生物质炭对柴油的吸附率先增加后减少，添加量在0.2g时吸附效果最好，吸附量达到95.4mg/g。
实施例5：
准确投加0.2g的改性后蟹壳生物质炭B于250ml具塞锥形瓶中，将200ml一定浓度的柴油溶液准确移入锥形瓶中，调节pH为7，然后依次加入(2Z，4E)-2,4-己二烯酸乙酯和乙酰吗喃，加入量为柴油质量的0.007％和0.0003％，在温度30℃下以140r/min的频率恒温震荡，作用250min然后取上清液，以4000r/min速度离心10min，用紫外分光光度计测量石油醚萃取过的上清液的吸光度后得出柴油溶液的浓度，并计算得蟹壳生物质炭吸附油污的吸附率为97.1％。
对比例1：
改性得蟹壳生物质炭B的制备中不添加1-(3-羟基正丙基)环戊醇和苯基正丁基醚，其余部分和实施例5完全相同；测得蟹壳生物质炭吸附油污的吸附率为79.6％。
对比例2：
吸附柴油过程不添加(2Z，4E)-2,4-己二烯酸乙酯和乙酰吗喃，其余部分和实施例5完全相同；测得蟹壳生物质炭吸附油污的吸附率为92.3％。
由实施例5和对比例1、2测得的生物质炭吸附油污的吸附率数据可知，1-(3-羟基正丙基)环戊醇和苯基正丁基醚的特殊存在对蟹壳生物质炭的改性具有明显影响作用，能够优化碱液作用下改性的效果，提高生物质炭的吸附能力；(2Z，4E)-2,4-己二烯酸乙酯和乙酰吗喃则存在协同作用，可在一定程度上提高生物质炭对油污的吸附容量。
本发明操作步骤中的常规操作为本领域技术人员所熟知，在此不进行赘述。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于蟹壳生物质炭油污吸附剂的制备方法，步骤为：将蟹壳洗净，烘干，高温煅烧，过筛，得蟹壳生物质炭，对其改性得改性后蟹壳生物质炭吸附剂，其特征在于：所述改性用改性剂包含1-(3-羟基正丙基)环戊醇和苯基正丁基醚。
2.根据权利要求1所述的一种基于蟹壳生物质炭油污吸附剂的制备方法，其特征在于：所述高温煅烧温度为600-900℃。
3.根据权利要求1所述的一种基于蟹壳生物质炭油污吸附剂的制备方法，其特征在于：所述改性的具体步骤为：将蟹壳生物质炭与KOH按料液比1:2-5混合，加热至70-80℃；然后向体系中加入1-(3-羟基正丙基)环戊醇和苯基正丁基醚，持续搅拌反应2-4小时，然后冷却至室温，抽滤，用去离子水洗涤2-3次，110-120℃下干燥完全，得改性后蟹壳生物质炭吸附剂。
4.根据权利要求3所述的一种基于蟹壳生物质炭油污吸附剂的制备方法，其特征在于：所述1-(3-羟基正丙基)环戊醇和苯基正丁基醚的加入量为体系质量的1.5-1.9％，且二者摩尔比为1-3:1。
5.根据权利要求1所述的一种基于蟹壳生物质炭油污吸附剂的制备方法，其特征在于：所述蟹壳为废弃的梭子蟹蟹壳。
6.根据权利要求1所述的一种基于蟹壳生物质炭油污吸附剂的制备方法，其特征在于：所述蟹壳生物质炭用于吸附含油废水中的油污。
7.根据权利要求6所述的一种基于蟹壳生物质炭油污吸附剂的制备方法，其特征在于：所述吸附油污的方法为：将改性后的蟹壳生物质炭加入到pH为5-8、温度30-50℃的含油废水中，吸附2-5h，对含油废水中的柴油进行吸附，吸附效果达到最好。
8.根据权利要求7所述的一种基于蟹壳生物质炭油污吸附剂的制备方法，其特征在于：所述蟹壳生物质炭的添加量为含油废水的0.05％-0.25％。
9.根据权利要求7所述的一种基于蟹壳生物质炭油污吸附剂的制备方法，其特征在于：所述含油废水中加入(2Z，4E)-2,4-己二烯酸乙酯和乙酰吗喃，加入量分别为含油废水的0.006-0.009％和0.0002-0.0005％。
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