CN109351349A - 一种生物质颗粒净水材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及重金属离子吸附材料技术领域，特别涉及一种生物质颗粒净水材料及其制备方法，以重量份计包括如下物料：腐熟牛粪40‑50份、腐熟鸡粪10‑16份、菠萝皮22‑27份、坚果壳3‑8份、刺梨叶2‑9份、荷叶1‑3份，本发明生物颗粒净水材料具有成本低廉、绿色环保、吸附容量大、制备方法简单、吸附速率快、吸附要求低、净水效果显著的特点。

Description

一种生物质颗粒净水材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及重金属离子吸附材料技术领域，特别涉及一种生物质颗粒净水材料及其制备方法。
背景技术
水是人体的重要组成部分，是维持人体生理和生活活动所必须的物质，是人类最重要的自然环境条件之一；然而随着科技进步和社会发展，水环境受到各种重金属、有机物、病毒细菌等污染，对人体健康造成了严重的影响和危害。重金属污染是主要的水污染之一，其主要来源于机械、冶金、化工、医药、矿山等行业废水的大量排放，且具有不易去除、长期累积的特点；大量资料表明，重金属在人体及生物体内蓄积，能够引发某些疾病，如汞及其化合物属于剧毒物质，可引起全身中毒甚至导致死亡；镉的化合物毒性很大，被人体吸收后会对肾脏造成严重损害，引起泌尿系统的功能变化，可代替骨骼中的钙而使骨骼变得松软，最后发生废用性萎缩；砷的化合物均有剧毒，砷通过呼吸道、消化道和皮肤接触进入人体，如果摄入量超过排泄量，砷就会在人体的肝、肾、肺、脾、骨骼、肌肉等部位，特别是毛发、指甲中蓄积，从而引起慢性砷中毒。
目前，采用以凹凸棒土、沸石、黄粘土、高岭土、硅藻土等天然资源为滤材，一方面资源受限，不符合绿色发展理念，另一方面吸附容量不理想，不能满足净水要求；已有研究者对香蕉皮、橘子皮、橙皮、苹果皮等果皮废弃物对金属离子的吸附进行了研究，通过提取果皮废弃物中果胶等物质，利用这些有机物对重金属离子有较好的亲和性，但存在净水材料与水体难分离以及吸附容量小等问题。如专利号CN201310443563.3公开了利用半胱氨酸改性丝瓜络对Cd2+、Pb2+、Hg2+、Cu2+具有较好的吸附能力。又如专利号CN201210018022.1公开了利用板栗果皮、水稻地上部分生物质、香蒲地上部分生物质制成的吸附材料，对废水中的铜、锌、铅、镍、锰、镉、铬、汞、铝、金、银中的11种金属离子均具有较好的吸附作用。但关于吸附镉、汞、砷材料的研究较少。
再如专利号CN201711327402.2公开了一种快速吸附重金属的库德毕赤酵母吸附剂的制备方法，本发明中通过补料分批培养方式获得高浓度库德毕赤酵母菌液，经NaOH或HCl无机配体溶液混合煮沸，制备库德毕赤酵母吸附剂，用于吸附废水中汞、镉、铅、铬、砷等重金属。该发明还公开了所述吸附剂的使用方法，从无机配体预处理、吸附时间、吸附菌体的浓度、吸附温度四个方面对其吸附特性进行研究，探究了库德毕赤酵母吸附重金属离子的方式和其最佳吸附环境。但成本较高、操作难度高。
因此，为了降低水中重金属污染，研究一种制作成本低、净水效果佳、环境友好的生物质净水材料至关重要。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种生物质颗粒净水材料及其制备方法。
具体是通过以下技术方案来实现的：
一种生物质颗粒净水材料，以重量份计包括如下物料：腐熟牛粪40-50份、腐熟鸡粪10-16份、菠萝皮22-27份、坚果壳3-8份、刺梨叶2-9份、荷叶1-3份。
优选，以重量份计包括如下物料：腐熟牛粪45份、腐熟鸡粪13份、菠萝皮24份、坚果壳5份、刺梨叶6份、荷叶2份。
本发明还提供了生物颗粒净水材料的制备方法，包括如下步骤：
1)称取菠萝皮、刺梨叶，分别干燥至水分含量为8-14％，然后加入坚果壳混合后研磨至过80目筛，再蒸汽处理15-20min后，保温处理20-30min，得混合料A；
2)称取荷叶并加入荷叶重量(0.5-0.7)倍的水，高速搅拌制成固液混合物，加入腐熟牛粪、腐熟鸡粪混合均匀，经超声波反应5-8min后，得混合料B；
3)取混合料A和混合料B混合均匀后，先经振荡处理，再经磁场处理后造粒制成生物颗粒净水材料。
上述方法中，所述蒸汽处理的温度为120-150℃。
上述方法中，所述超声波反应的频率为30-38kHz，功率为500-600W。
上述方法中，所述振荡处理条件为：温度为55-65℃，振荡速率为80-100rpm，时间为20-30min。
上述方法中，所述磁场处理为脉冲磁场。
上述方法中，所述磁场处理条件为：磁场强度为2-8T，连续施加的脉冲个数50-80个，时间为120-240s。
本发明还提供了生物颗粒净水材料的使用方法，具体为：将生物颗粒净水材料添加到含重金属镉、汞、砷的废水中，控制温度为4-38℃条件下动态吸附10-30min，结束后取出净水材料。
所述生物颗粒净水材料添加量为废水质量1-2％。
所述动态吸附方式包括但不限于搅拌、振荡。
有益效果：
本发明生物颗粒净水材料具有成本低廉、绿色环保、吸附容量大、制备方法简单、吸附速率快、吸附要求低、净水效果显著的特点。
本发明选用腐熟牛粪、腐熟鸡粪、菠萝皮、坚果壳、刺梨叶、荷叶作为生物颗粒净水材料，利用含有碳质成分配合果胶、纤维素等物质，有效吸附和络合镉、汞、砷；并且结合工艺处理形成稳定的多孔絮状和粘结固体存在，因而吸附重金属离子后的材料易于从水体中回收和处理，并且含有疏水成分进而易于分离水体。
本发明通过利用蒸汽处理菠萝皮、刺梨叶和坚果壳混合，使得所含有的多糖、纤维素、果胶等成分充分外露；通过利用超声波处理荷叶、腐熟牛粪、腐熟鸡粪，使得荷叶中纤维素、多糖成分能够与腐熟牛粪、腐熟鸡粪中碳质成分形成稳定的粘结结构；本发明利用振荡处理，使得物料均匀分散，改善净水材料的孔隙率，再磁场处理，使得净水材料具有电磁性能，进而提高其吸附速率，降低吸附要求。
本发明利用荷叶和刺梨叶表面的疏水物质与亲水材料对水分子形成排斥和吸附作用，使得净水材料在废水中形成更多的孔隙率，进而增加吸附容量。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
实施例1
一种生物质颗粒净水材料，包括如下物料：腐熟牛粪50kg、腐熟鸡粪16kg、菠萝皮27kg、坚果壳8kg、刺梨叶9kg、荷叶3kg。
实施例2
一种生物质颗粒净水材料，包括如下物料：腐熟牛粪40kg、腐熟鸡粪10kg、菠萝皮22kg、坚果壳3kg、刺梨叶2kg、荷叶1kg。
实施例3
一种生物质颗粒净水材料，包括如下物料：腐熟牛粪45kg、腐熟鸡粪13kg、菠萝皮24kg、坚果壳5kg、刺梨叶6kg、荷叶2kg。
实施例4
一种生物质颗粒净水材料，包括如下物料：腐熟牛粪45kg、腐熟鸡粪12kg、菠萝皮25kg、坚果壳6kg、刺梨叶5kg、荷叶2kg。
实施例5
本实施例在实施例1-4任一基础上提供了生物颗粒净水材料的制备方法，包括如下步骤：
1)称取菠萝皮、刺梨叶，分别干燥至水分含量为14％，然后加入坚果壳混合后研磨至过80目筛，再温度为150℃的条件下蒸汽处理20min后，保温处理30min，得混合料A；
2)称取荷叶并加入荷叶重量0.7倍的水，高速搅拌制成固液混合物，加入腐熟牛粪、腐熟鸡粪混合均匀，经频率为38kHz，功率为600W的条件下超声波反应8min后，得混合料B；
3)取混合料A和混合料B混合均匀后，先经温度为65℃、振荡速率为100rpm的条件下振荡处理30min，再经磁场强度为8T，连续施加的脉冲个数80个的条件下脉冲磁场处理240s后，造粒制成生物颗粒净水材料。
实施例6
本实施例在实施例1-4任一基础上提供了生物颗粒净水材料的制备方法，包括如下步骤：
1)称取菠萝皮、刺梨叶，分别干燥至水分含量为8％，然后加入坚果壳混合后研磨至过80目筛，再温度为120℃的条件下蒸汽处理15min后，保温处理20min，得混合料A；
2)称取荷叶并加入荷叶重量0.5倍的水，高速搅拌制成固液混合物，加入腐熟牛粪、腐熟鸡粪混合均匀，经频率为30kHz，功率为500W的条件下超声波反应5min后，得混合料B；
3)取混合料A和混合料B混合均匀后，先经温度为55℃、振荡速率为80rpm的条件下振荡处理20-30min，再经磁场强度为2T，连续施加的脉冲个数50个的条件下脉冲磁场处理120s后，造粒制成生物颗粒净水材料。
实施例7
本实施例在实施例1-4任一基础上提供了生物颗粒净水材料的制备方法，包括如下步骤：
1)称取菠萝皮、刺梨叶，分别干燥至水分含量为10％，然后加入坚果壳混合后研磨至过80目筛，再温度为135℃的条件下蒸汽处理18min后，保温处理25min，得混合料A；
2)称取荷叶并加入荷叶重量0.6倍的水，高速搅拌制成固液混合物，加入腐熟牛粪、腐熟鸡粪混合均匀，经频率为35kHz，功率为550W的条件下超声波反应7min后，得混合料B；
3)取混合料A和混合料B混合均匀后，先经温度为60℃、振荡速率为100rpm的条件下振荡处理25min，再经磁场强度为5T，连续施加的脉冲个数70个的条件下脉冲磁场处理180s后，造粒制成生物颗粒净水材料。
实施例8
本实施例在实施例5-7任一基础上提供了生物颗粒净水材料的使用方法，具体为：将生物颗粒净水材料添加到含重金属镉、汞、砷的废水中，控制温度为4-38℃条件下动态吸附10-30min，结束后取出净水材料；所述生物颗粒净水材料添加量为废水质量1-2％；所述动态吸附方式包括但不限于搅拌、振荡。
试验例1
1.对重金属镉、汞、砷的吸附性能
分别选取200mg/L的模拟重金属镉废水、砷废水以及汞废水各25mL，向其中加入实施例7制备的吸附剂0.25g，恒温振荡不同吸附时间，过滤分离，上清液用利用电感耦合等离子体发射光谱，对镉离子吸附量为183.2mg/L、砷离子吸附量为179.4mg/L、汞离子吸附量为185.1mg/L；
选含有镉离子200mg/L、砷离子200mg/L、汞离子200mg/L的模拟废水25mL，向其中加入实施例6制备的吸附剂0.25g，恒温振荡不同吸附时间，过滤分离，上清液用利用电感耦合等离子体发射光谱，对镉离子吸附量为179.6mg/L、砷离子吸附量为175.9mg/L、汞离子吸附量为178.3mg/L。
试验例2
模拟废水中金属离子Pb2+、As3+、Cd2+、Hg2+浓度均为100mg/L，分别称取0.5g按照实施例7的制备方法、实施例1-4的配方制成的净水材料，分别加入50mL模拟污水中，振荡15min后，过滤，采用原子吸收分光光度计测定滤液中Pb2+、As3+、Cd2+、Hg2+的含量，计算去除率，结果见表1：
表1
模拟废水中金属离子Cu2+、As3+、Cd2+、Hg2+浓度均为100mg/L，分别称取0.5g按照实施例7的制备方法、实施例1-4的配方制成的净水材料，分别加入50mL模拟污水中，振荡15min后，过滤，采用原子吸收分光光度计测定滤液中Cu2+、As3+、Cd2+、Hg2+的含量，计算去除率，结果见表2：
表2
样品 Cu<sup>2+</sup>去除率/％ As<sup>3+</sup>去除率/％ Cd<sup>2+</sup>去除率/％ Hg<sup>2+</sup>去除率/％
实施例1 83.7 97.2 97.6 98.0
实施例2 84.2 96.9 97.1 97.8
实施例3 85.3 97.6 98.2 98.3
实施例4 83.4 97.1 97.3 98.1

Claims (8)

1.一种生物质颗粒净水材料，其特征在于，以重量份计包括如下物料：腐熟牛粪40-50份、腐熟鸡粪10-16份、菠萝皮22-27份、坚果壳3-8份、刺梨叶2-9份、荷叶1-3份。
2.如权利要求1所述生物质颗粒净水材料，其特征在于，以重量份计包括如下物料：腐熟牛粪45份、腐熟鸡粪13份、菠萝皮24份、坚果壳5份、刺梨叶6份、荷叶2份。
3.如权利要求1或2所述生物质颗粒净水材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)称取菠萝皮、刺梨叶，分别干燥至水分含量为8-14％，然后加入坚果壳混合后研磨至过80目筛，再蒸汽处理15-20min后，保温处理20-30min，得混合料A；
2)称取荷叶并加入荷叶重量(0.5-0.7)倍的水，高速搅拌制成固液混合物，加入腐熟牛粪、腐熟鸡粪混合均匀，经超声波反应5-8min后，得混合料B；
3)取混合料A和混合料B混合均匀后，先经振荡处理，再经磁场处理后造粒制成生物颗粒净水材料。
4.如权利要求3所述生物质颗粒净水材料的制备方法，其特征在于，所述蒸汽处理的温度为120-150℃。
5.如权利要求3所述生物质颗粒净水材料的制备方法，其特征在于，所述超声波反应的频率为30-38kHz，功率为500-600W。
6.如权利要求3所述生物质颗粒净水材料的制备方法，其特征在于，所述振荡处理条件为：温度为55-65℃，振荡速率为80-100rpm，时间为20-30min。
7.如权利要求3所述生物质颗粒净水材料的制备方法，其特征在于，所述磁场处理为脉冲磁场。
8.如权利要求3或7所述生物质颗粒净水材料的制备方法，其特征在于，所述磁场处理条件为：磁场强度为2-8T，连续施加的脉冲个数50-80个，时间为120-240s。
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