CN109046244A - 牛粪生物炭、颗粒吸附剂及其制备方法和应用 - Google Patents

牛粪生物炭、颗粒吸附剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种牛粪生物炭、颗粒吸附剂及其制备方法和应用，涉及生物资源利用技术领域。所述牛粪生物炭的制备方法为首先收集新鲜牛粪在自然通风的条件下自然风干，然后将风干的牛粪在密闭的条件下热解2～3h，随后对热解后的牛粪依次进行干燥、粉碎得到牛粪生物炭。由上述方法制得的牛粪生物炭及其进一步制备的颗粒吸附剂对磷污染水体均具有很好的净化吸附效果，同时，该牛粪生物炭和颗粒吸附剂的制备方法工艺简单易行，条件温和，易于工业化生产，且不会对环境造成二次污染，有效提高了生物质资源利用效率，解决了农林生物质废弃物难于降解、再利用的难题。

Description

牛粪生物炭、颗粒吸附剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及生物资源利用技术领域，尤其是涉及一种牛粪生物炭、颗粒吸附剂及其制备方法和应用。
背景技术
磷是绝大多数湖泊和淡水体系富营养化的控制因子，当水体中的总磷浓度超过一定范围时，会引起水体富营养化，造成水体功能失效并进一步影响经济和社会的可持续发展。由此可知，水体中的磷是引起水体富营养化的关键元素，防治水体富营养化的关键在于控制水体中的磷含量。我国新疆地区由于远离海洋，周围又有高大山脉环抱，来自海洋的气流不易到达，所以降水稀少、气候干旱，因此生态环境十分脆弱。近年来随着社会经济的发展，新疆干旱地区水体富营养化的问题越来越受到了人们的重视。因此，寻找一种能够有效去除水中磷的方法，对我国新疆干旱地区日益严峻的环保形式具有迫在眉睫的意义。
目前，常用的水体除磷方法主要为化学沉淀法、生物法和吸附法。其中，化学方法成本较高而且可能会引入新的污染物质；生物法虽成本较低，但因废水组成多变，因而除磷效果无法保证。近年来，吸附法因其具有高效快捷、设备简单、运行可靠、能回收利用磷资源、无二次污染等特点而受到广泛关注。对于吸附法而言，吸附剂的选择是决定除磷效果的关键。目前，研究吸附磷的材料主要为粉煤灰、钢渣、活性氧化铝等。然而，活性氧化铝等原材料价格较高且磷难以脱附，钢渣、粉煤灰虽然价格低廉，但这些工业废料会向水中溶出有害离子，会对环境造成二次污染。
同时，在我国经济发展的过程中，每年会产生大量的农业废弃物，特别是动物粪便年产量巨大，但有效利用率很低，往往只是采取粪便长期露天堆放自然降级的方法来处理，这些露天堆放的粪便其渗滤液会随径流污染地下水，严重污染自然环境。有鉴于此，将动物粪便作为制备原料，研究开发出一种对磷污染水体具有很好的净化吸附效果的生物炭及其吸附颗粒，以提高生物质资源利用效率，解决了农林生物质废弃物难于降解、再利用的难题，变得十分必要和迫切。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种牛粪生物炭的制备方法，所述制备方法工艺简单易行，条件温和，易于工业化生产，且不会对环境造成二次污染，有效提高了生物质资源利用效率，解决了农林生物质废弃物难于降解、再利用的难题。
本发明的第二目的在于提供一种牛粪生物炭，该牛粪生物炭以牛粪为原料通过上述的牛粪生物炭的制备方法制备得到，不但对污染水体中的磷元素具有非常好的吸附效果，还具有较强的经济性。
本发明的第三目的在于提供一种颗粒吸附剂，该颗粒吸附剂由本发明上述牛粪生物炭、硅酸钙、海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维、棕榈蜡和β-环糊精制备得到，由上述原料制备得到的颗粒吸附剂具有较大的比表面积，对污染水体中的磷元素具有较高的吸附效率。
本发明的第四目的在于提供一种颗粒吸附剂的制备方法，该方法为首先将所述颗粒吸附剂的原料全部混匀，并在90～100℃下搅拌1.5～3小时，然后将原料压制为直径2～5mm的空心颗粒，随后依次进行干燥、冷却得到颗粒吸附剂。上述制备方法具有工艺简单、易于操作，制备过程不需要特殊的加工设备，经济性强等优点。
本发明的第五目的在于提供一种所述牛粪生物炭和颗粒吸附剂的应用，该牛粪生物炭和颗粒吸附剂可以广泛应用于废水中重金属磷的去除。
本发明提供的一种牛粪生物炭的制备方法，所述方法包括以下步骤：
首先收集新鲜牛粪在自然通风的条件下自然风干，然后将风干的牛粪在隔绝氧气的条件下热解2～3h，随后对热解后的牛粪依次进行干燥、粉碎得到牛粪生物炭。
进一步的，所述热解的温度为300～500℃；
优选的，所述热解的温度为400℃。
进一步的，所述热解过程中升温的速率为每小时100～500℃。
进一步的，所述干燥的温度为70～78℃。
进一步的，所述粉碎的粒径为60～100目；
优选的，所述粉碎的粒径为80目。
本发明提供的一种牛粪生物炭，所述牛粪生物炭由上述的牛粪生物炭的制备方法制备得到。
本发明提供的一种颗粒吸附剂，按重量份数计，所述颗粒剂主要由以下组分制得：上述牛粪生物炭40～50份、硅酸钙10～20份、海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维20～30份、棕榈蜡5～10份和β-环糊精10～15份。
进一步的，按重量份数计，所述颗粒剂主要由以下组分制得：上述牛粪生物炭42～48份、硅酸钙12～18份、海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维22～28份、棕榈蜡8～10份和β-环糊精12～14份；
优选的，按重量份数计，所述颗粒剂主要由以下组分制得：上述牛粪生物炭45份、硅酸钙15份、海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维25份、棕榈蜡8份和β-环糊精13份。
本发明提供的一种上述颗粒吸附剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：
首先将所述颗粒吸附剂的原料全部混匀，并在90～100℃下搅拌1.5～3小时，然后将原料压制为直径2～5mm的空心颗粒，随后依次进行干燥、冷却得到颗粒吸附剂。
本发明提供的一种上述牛粪生物炭和颗粒吸附剂在去除废水中重金属磷中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供一种牛粪生物炭的制备方法，该方法首先收集新鲜牛粪在自然通风的条件下自然风干，然后将风干的牛粪在隔绝氧气的条件下热解2～3h，随后对热解后的牛粪依次进行干燥、粉碎得到牛粪生物炭。该制备方法工艺简单易行，条件温和，易于工业化生产，且不会对环境造成二次污染，有效提高了生物质资源利用效率，解决了农林生物质废弃物难于降解、再利用的难题。
本发明提供的牛粪生物炭，该牛粪生物炭以牛粪为原料通过上述的牛粪生物炭的制备方法制备得到，不但对污染水体中的磷元素具有非常好的吸附效果，还具有较强的经济性。
本发明提供的颗粒吸附剂主要由本发明上述牛粪生物炭、硅酸钙、海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维、棕榈蜡和β-环糊精制备得到。其中，硅酸钙作为无机物表面吸附剂作为原料加入到上述颗粒吸附剂中可以显著提高颗粒吸附剂的比表面积；海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维为将海藻酸钠和聚丙烯混合溶液通过静电纺丝法制备具有重金属离子吸附功能的海藻酸钠-聚丙烯复合纤维，然后对该复合纤维进行功能化改性，该纤维对于水中磷金属离子具有很好的吸附效果。因此，由上述原料制备得到的颗粒吸附剂具有较大的比表面积，对污染水体中的磷元素具有较高的吸附效率。
本发明提供的颗粒吸附剂的制备方法为首先将所述颗粒吸附剂的原料全部混匀，并在90～100℃下搅拌1.5～3小时，然后将原料压制为直径2～5mm的空心颗粒，随后依次进行干燥、冷却得到颗粒吸附剂。上述制备方法具有工艺简单、易于操作，制备过程不需要特殊的加工设备，经济性强等优点。
本发明提供的牛粪生物炭和颗粒吸附剂可以广泛应用于废水中重金属磷的去除。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的一个方面，一种牛粪生物炭的制备方法，所述方法包括以下步骤：
首先收集新鲜牛粪在自然通风的条件下自然风干，然后将风干的牛粪在隔绝氧气的条件下热解2～3h，随后对热解后的牛粪依次进行干燥、粉碎得到牛粪生物炭。
本发明提供一种牛粪生物炭的制备方法，该方法首先收集新鲜牛粪在自然通风的条件下自然风干，然后将风干的牛粪在隔绝氧气的条件下热解2～3h，随后对热解后的牛粪依次进行干燥、粉碎得到牛粪生物炭。该制备方法工艺简单易行，条件温和，易于工业化生产，且不会对环境造成二次污染，有效提高了生物质资源利用效率，解决了农林生物质废弃物难于降解、再利用的难题。
在本发明的一种优选实施方式中，所述热解的温度为300～500℃；
优选的，所述热解的温度为400℃。
作为一种优选的实施方式，上述热解的温度为300～500℃。发明人通过研究发现牛粪生物炭在不同温度下的产率随着温度的升高而降低，400℃到600℃温度段产率变化最大。在温度较低的时候，牛粪热解不够完全，当温度达到300℃～400℃时，牛粪基本热解完全，但是还有部分难热解的物质存在。当温度达到400℃～700℃时，一些成分在高温下分解。因此，从降低牛粪生物炭的生产成本考虑，确定牛粪裂解生物炭适宜温度为300℃～500℃，进一步的，最优的热解温度为400℃。
在本发明的一种优选实施方式中，所述热解过程中升温的速率为每小时100～500℃。
本发明中，上述热解过程中升温的速率典型但非限定性的是每小时100℃、每小时200℃、每小时300℃、每小时400℃和每小时500℃。
在本发明的一种优选实施方式中，所述干燥的温度为70～78℃。
本发明中，上述干燥温度典型但非限定性的是70℃、72℃、74℃、75℃、76℃和78℃。
在本发明的一种优选实施方式中，所述粉碎的粒径为60～100目；
本发明中，上述粉碎的粒径典型但非限定性的为60目、70目、80目、90目和100目。
优选的，所述粉碎的粒径为80目。
根据本发明的一个方面，一种牛粪生物炭，所述牛粪生物炭由上述的牛粪生物炭的制备方法制备得到。
本发明提供的牛粪生物炭，该牛粪生物炭以牛粪为原料通过上述的牛粪生物炭的制备方法制备得到，不但对污染水体中的磷元素具有非常好的吸附效果，还具有较强的经济性。
根据本发明的一个方面，一种颗粒吸附剂，按重量份数计，所述颗粒剂主要由以下组分制得：上述牛粪生物炭40～50份、硅酸钙10～20份、海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维20～30份、棕榈蜡5～10份和β-环糊精10～15份。
本发明提供的颗粒吸附剂主要由本发明上述牛粪生物炭、硅酸钙、海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维、棕榈蜡和β-环糊精制备得到。其中，硅酸钙作为无机物表面吸附剂作为原料加入到上述颗粒吸附剂中可以显著正价颗粒吸附剂的比表面积；海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维为将海藻酸钠和聚丙烯混合溶液通过静电纺丝法制备具有重金属离子吸附功能的海藻酸钠-聚丙烯复合纤维，然后对该复合纤维进行功能化改性，该纤维对于水中磷金属离子具有很好的吸附效果。因此，由上述原料制备得到的颗粒吸附剂具有较大的比表面积，对污染水体中的磷元素具有较高的吸附效率。
优选的，所述海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维的制备方法为：
(1)取海藻酸钠4.0g，聚丙烯3.0g，聚乙烯吡咯烷酮0.5g，加入到100ml 30％的乙酸水溶液中，超声形成共混形成均一聚合物溶液，即为静电纺丝溶液；
(2)利用静电纺丝装置将上述海藻酸钠-聚丙烯共聚溶液(即聚合物溶液，下同)制成纳米纤维；
静电纺丝法具体步骤和参数为：在静电纺丝时，将上述制备的聚合物溶液置于注射器中，高压静电发生器的正极连接针头，负极连接在洁净的裸电极上，电压为15V，针头与电极距离15cm，采用微量注射泵供液，由高压静电发生器产生的高压静电直接施加在注射器针头上，纳米纤维收集于裸电极上；环境温度为20～25℃，湿度控制在30～40％；
(3)将该纳米重金属纤维吸附材料进行功能化：首先在100mL圆底烧瓶中，加入2.4gNaOH和20mL蒸馏水，搅拌下使氢氧化钠溶解，冷却至室温，用冰水浴控制体系温度在0℃，加入0.1g交联纤维膜，再逐滴加入2.4mL二硫化碳，滴加结束后逐渐升温至35℃，保温反应2h，用蒸馏水反复洗涤纤维膜，在45℃真空干燥至恒重，即得到海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维。
在本发明的一种优选实施方式中，按重量份数计，所述颗粒剂主要由以下组分制得：上述牛粪生物炭42～48份、硅酸钙12～18份、海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维22～28份、棕榈蜡8～10份和β-环糊精12～14份；
优选的，按重量份数计，所述颗粒剂主要由以下组分制得：上述牛粪生物炭45份、硅酸钙15份、海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维25份、棕榈蜡8份和β-环糊精13份。
本发明中，通过对各组分原料用量比例的进一步调整和优化，从而进一步优化了本发明颗粒吸附剂对污染水体中磷的吸附效果。
根据本发明的一个方面，一种上述颗粒吸附剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：
首先将所述颗粒吸附剂的原料全部混匀，并在90～100℃下搅拌1.5～3小时，然后将原料压制为直径2～5mm的空心颗粒，随后依次进行干燥、冷却得到颗粒吸附剂。
本发明提供的颗粒吸附剂的制备方法为首先将所述颗粒吸附剂的原料全部混匀，并在90～100℃下搅拌1.5～3小时，然后将原料压制为直径2～5mm的空心颗粒，随后依次进行干燥、冷却得到颗粒吸附剂。上述制备方法具有工艺简单、易于操作，制备过程不需要特殊的加工设备，经济性强等优点。
根据本发明的一个方面，一种上述牛粪生物炭和颗粒吸附剂在去除废水中重金属磷中的应用。
本发明提供的牛粪生物炭和颗粒吸附剂可以广泛应用于废水中重金属磷的去除。
下面将结合实施例和对比例对本发明的技术方案进行进一步地说明。
实施例1
一种牛粪生物炭的制备方法，所述方法包括以下步骤：
首先收集新鲜牛粪在自然通风的条件下自然风干，然后将风干的牛粪在密闭的条件下300℃热解2h，热解过程中升温的速率为每小时100℃，随后对热解后的牛粪在70℃的条件下进行干燥、最后将干燥后的牛粪粉碎为60目的颗粒，得到牛粪生物炭。
实施例2
一种牛粪生物炭的制备方法，所述方法包括以下步骤：
首先收集新鲜牛粪在自然通风的条件下自然风干，然后将风干的牛粪在密闭的条件下500℃热解3h，热解过程中升温的速率为每小时500℃，随后对热解后的牛粪在78℃的条件下进行干燥、最后将干燥后的牛粪粉碎为100目的颗粒，得到牛粪生物炭。
实施例3
一种牛粪生物炭的制备方法，所述方法包括以下步骤：
首先收集新鲜牛粪在自然通风的条件下自然风干，然后将风干的牛粪在密闭的条件下400℃热解2.5h，热解过程中升温的速率为每小时300℃，随后对热解后的牛粪在75℃的条件下进行干燥、最后将干燥后的牛粪粉碎为80目的颗粒，得到牛粪生物炭。
对比例1
本对比例除牛粪在密闭的条件的热解温度为250℃外，其余同实施例3。
对比例2
本对比例除牛粪在密闭的条件的热解温度为550℃外，其余同实施例3。效果例1
采用元素分析仪测定实施例1～3以及对比例1、2制得的生物炭中C、H、O和N元素的质量组成，同时用全自动比表面积分析仪测定生物炭的比表面积，其结果如下表所示：
由上表可知，由于原料中存在大量的矿质元素，本发明实施例1～3制得的生物炭含有较多灰分，含量达到了22.3％，从元素分析结果也可以看出C含量较高，H含量较低，同时本发明实施例1～3制得的生物炭的比表面积也明显高于对比例1、2和未处理的风干牛粪。通过与对比例1比较可知，对比例1在250℃下热解得到的生物炭的C含量仅为34.32wt％，说明在热解温度较低的时候，牛粪热解不够完全；通过与对比例2比较可知，对比例1在550℃下热解得到的生物炭，碳元素等成分在高温下分解，效果也不理想。因此，从降低牛粪生物炭的生产成本考虑，确定牛粪裂解生物炭适宜温度为300℃～500℃，进一步的，最优的热解温度为400℃。
实施例4
一种颗粒吸附剂，按重量份数计，所述颗粒剂主要由以下组分制得：实施例3制备得到的牛粪生物炭40份、硅酸钙10份、海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维20份、棕榈蜡5份和β-环糊精10份。
上述颗粒吸附剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：
首先将所述颗粒吸附剂的原料全部混匀，并在95℃下搅拌2小时，然后将原料压制为直径3mm的空心颗粒，随后依次进行干燥、冷却得到颗粒吸附剂。
实施例5
一种颗粒吸附剂，按重量份数计，所述颗粒剂主要由以下组分制得：实施例3制备得到的牛粪生物炭50份、硅酸钙20份、海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维30份、棕榈蜡10份和β-环糊精15份。
上述颗粒吸附剂的制备方法同实施例4。
实施例6
一种颗粒吸附剂，按重量份数计，所述颗粒剂主要由以下组分制得：实施例3制备得到的牛粪生物炭42份、硅酸钙12份、海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维22份、棕榈蜡6份和β-环糊精12份。
上述颗粒吸附剂的制备方法同实施例4。
实施例7
一种颗粒吸附剂，按重量份数计，所述颗粒剂主要由以下组分制得：实施例3制备得到的牛粪生物炭48份、硅酸钙18份、海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维28份、棕榈蜡8份和β-环糊精14份。
上述颗粒吸附剂的制备方法同实施例4。
实施例8
一种颗粒吸附剂，按重量份数计，所述颗粒剂主要由以下组分制得：实施例3制备得到的牛粪生物炭45份、硅酸钙15份、海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维25份、棕榈蜡8份和β-环糊精13份。
上述颗粒吸附剂的制备方法同实施例4。
对比例3
本对比例除不含有硅酸钙外，其余同实施例8。
对比例4
本对比例除不含有海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维外，其余同实施例8。
效果例2
为表明本发明制备得到的颗粒吸附剂对磷污染水体具有很好的吸附作用，现特将实施例4～8和对比例3、4制备得到的颗粒吸附剂分别浸入磷初始浓度为200mg/L的水溶液中6个小时，随后将各组颗粒吸附剂取出，并对磷的吸附量进行检测，其结果如下表所示：
由上表可知，本发明实施例4～8制备得到的颗粒吸附剂在磷初始浓度为200mg/L的水溶液中吸附6个小时后，磷的吸附量均在4.0mg/g以上，吸附效果远高于对比例3、4制备得到的颗粒吸附剂。说明由本发明上述牛粪生物炭、硅酸钙、海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维、棕榈蜡和β-环糊精制备得到的颗粒吸附剂具有较大的比表面积，对污染水体中的磷元素具有较高的吸附效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种牛粪生物炭的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
首先收集新鲜牛粪在自然通风的条件下自然风干，然后将风干的牛粪在密闭的条件下热解2～3h，随后对热解后的牛粪依次进行干燥、粉碎得到牛粪生物炭。
2.根据权利要求1所述的牛粪生物炭的制备方法，其特征在于，所述热解的温度为300～500℃；
优选的，所述热解的温度为400℃。
3.根据权利要求1所述的牛粪生物炭的制备方法，其特征在于，所述热解过程中升温的速率为每小时100～500℃。
4.根据权利要求1所述的牛粪生物炭的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为70～78℃。
5.根据权利要求1所述的牛粪生物炭的制备方法，其特征在于，所述粉碎的粒径为60～100目；
优选的，所述粉碎的粒径为80目。
6.一种牛粪生物炭，其特征在于，所述牛粪生物炭由权利要求1～5任一项所述的牛粪生物炭的制备方法制备得到。
7.一种颗粒吸附剂，其特征在于，按重量份数计，所述颗粒剂主要由以下组分制得：权利要求6所述的牛粪生物炭40～50份、硅酸钙10～20份、海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维20～30份、棕榈蜡5～10份和β-环糊精10～15份。
8.根据权利要求7所述的颗粒吸附剂，其特征在于，按重量份数计，所述颗粒剂主要由以下组分制得：权利要求6所述的牛粪生物炭42～48份、硅酸钙12～18份、海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维22～28份、棕榈蜡8～10份和β-环糊精12～14份；
优选的，按重量份数计，所述颗粒剂主要由以下组分制得：权利要求6所述的牛粪生物炭45份、硅酸钙15份、海藻酸钠-聚丙烯聚合纤维25份、棕榈蜡8份和β-环糊精13份。
9.一种根据权利要求7或8所述的颗粒吸附剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
首先将所述颗粒吸附剂的原料全部混匀，并在90～100℃下搅拌1.5～3小时，然后将原料压制为直径2～5mm的空心颗粒，随后依次进行干燥、冷却得到颗粒吸附剂。
10.一种根据权利要求6所述的牛粪生物炭和权利要求7、8所述颗粒吸附剂在去除废水中重金属磷中的应用。
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