CN111204817B - 一种利用有害水华藻及塑料制备的磁性复合炭及制备方法 - Google Patents

一种利用有害水华藻及塑料制备的磁性复合炭及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于废弃物再利用技术领域，公开了一种利用有害水华藻及塑料制备的磁性复合炭及制备方法，利用有害水华藻及塑料制备的磁性复合炭由水华藻、聚丙烯、氯化锌以及三氯化铁制成。本发明提供了废弃物水华藻和聚丙烯塑料颗粒再利用的新思路，将水华藻、聚丙烯作为原料，采用氯化锌和三氯化铁作为活化剂和赋磁剂，经高温炭化得到复合活性炭。这种活性炭可以应用于吸附印染废水中的残余有机染料，降低水体的色度和浊度，具有吸附能力强、吸附容量大、稳定性高的优势。同时还具备了原料来源广泛，价格低廉，无二次污染，资源利用率高等特点，在水体污染修复领域有极高的实用价值，应用前景广阔。

Description

一种利用有害水华藻及塑料制备的磁性复合炭及制备方法
技术领域
本发明属于废弃物再利用技术领域，尤其涉及一种利用有害水华藻及塑料制备的磁性复合炭及制备方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：在一些营养丰富的水体中，水华藻大量繁殖，快速生长，在水体表层大量聚集而形成的肉眼可见的藻类聚集，在高温气候条件下，构成水华的蓝藻群体大量滋生后又大量死亡，分解时散发出难以忍受的恶臭、污染空气，同时大量消耗水中溶解的氧气，常造成大批鱼类窒息死亡。目前治理水华藻危害的常用方法有：(1)严格管理生活污水处理及排放，控制水体富营养化程度；(2)推广种植水萌芦等水生植物，利用水生植物净化水体；(3)人工打捞清除近岸处的水华藻；(4)人工清除河底、湖底沉积的淤泥；(5)从其他江河、湖泊或水库调水稀释等，上述方法治理小水体中的水华有一定的效果，但治理成本高、成效一般，且未将水华藻充分利用，浪费了资源。
活性炭具有较强的吸附性和催化性能，原料充足且安全性高，耐酸碱、耐热、不溶于水和有机溶剂、易再生等优点，是一种环境友好型吸附剂。绝大部分含碳物质都可制备活性炭，如木材、锯末、果壳、果核、蔗渣及稻壳、石油废料、废旧皮革、造纸废料、城市垃圾等废弃物，且由于生物质原料含量丰富、成本低廉及可再生等优点而备受关注。水华藻也是一种容易获得的含碳生物质，因此可以用于制备活性炭。现有利用水华藻、蓝藻等制备活性炭的技术存在工艺复杂、能耗高、炭结构不够稳定等问题，还需要多种有机化学药剂，环境安全性有待评估。
印染废水指以加工棉、麻、化学纤维及其混纺产品、丝绸为主的印染、毛织染整及丝绸厂等排出的废水。印染废水具有水量大、有机污染物含量高、碱性大、水质变化大等特点，属难处理的工业废水之一。现有染料废水处理技术主要有混凝法、氧化法、电解法、吸附法等，但都存在一定的问题和局限性，无法满足实际需求。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有水华藻治理方法治理成本高、成效一般，有些还会引发二次污染，且未将水华藻充分利用，浪费了资源。
(2)现有利用水华藻制备活性炭的技术存在工艺复杂、能耗高、炭结构不够稳定等问题。
(3)现有印染废水处理技术混凝法运行费用较高、泥渣量多且脱水困难、对亲水性染料处理效果差；氧化法对硫化、还原、涂料等不溶于水的染料脱色效果较差，且运行过程耗电多，大规模推广应用有一定困难；电解法对颜色深、COD高的废水处理效果较差，无法满足实际应用的需求；活性炭吸附法成本较高，回收困难，无法适应实际应用的需求。现有利用生物质制备的磁性活性炭比表面积不高，吸附能力有限。
解决上述技术问题的难度：提高水华藻基炭的稳定性和可行性，降低活性炭的原料成本，挖掘附加环境价值，进一步提高吸附效率，降低脱附回收难度，提高其环境安全性。
解决上述技术问题的意义：可以有效解决其他印染废水处理技术的缺点，可以在处理强碱性的印染废水时仍能高效、稳定地发挥吸附功能，去除印染废水中残余的有机染料，降低水体的色度和浊度，且具备磁性，可以方便有效地回收，提高其利用率，进一步降低成本。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种利用有害水华藻及塑料制备的磁性复合炭及制备方法。
本发明是这样实现的，一种利用有害水华藻及塑料制备的磁性复合炭，所述利用有害水华藻及塑料制备的磁性复合炭由水华藻、聚丙烯、氯化锌以及三氯化铁组成。按质量比水华藻、聚丙烯、氯化锌、三氯化铁比例为3:2～4:1.5～4.5:1～3。
其中，水华藻指包含铜绿微囊藻在内的蓝藻；聚丙烯可以替换为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PC)等塑料材料；氢氧化钾可以发挥与氯化锌类似的活化造孔作用；三氯化铁亦可替换为四氧化三铁。
本发明的另一目的在于提供一种利用有害水华藻及塑料制备磁性复合炭的方法包括：
将水华藻与聚丙烯干燥混合，再与氯化锌、三氯化铁溶液混匀浸渍，经干燥后在高温状态下活化炭化，利用氯化锌对其进行活化造孔，利用三氯化铁对其赋磁，同时，聚丙烯为该活性炭进一步补充了碳源并提供了较稳定的碳骨架。
进一步，所述利用有害水华藻及塑料制备磁性复合炭的方法包括以下步骤：
步骤一，将水华藻洗净除杂，并与氯化锌、三氯化铁分别烘干至恒重，送入粉碎机中粉碎后过100目筛进行筛分；水华藻粉末有助于提高后续浸渍的效率及活化效果。
步骤二，将一次性透明塑料餐盒洗净、干燥，送入粉碎机中粉碎后过100目筛进行筛分，得到聚丙烯；颗粒状聚丙烯有助于提高后续浸渍的效率及活化效果。
步骤三，将筛分出的水华藻、聚丙烯、氯化锌、三氯化铁按质量比3:2～4:1.5～4.5:1～3配比，先用25ml蒸馏水溶解氯化锌、三氯化铁，再将水华藻、聚丙烯与溶液混合，于180r/min摇床(或振荡器)中混合浸渍12小时，浸渍后将混合液置于60℃烘箱中烘至恒重；混合浸渍有助于活化剂氯化锌和赋磁剂三氯化铁与原料藻-塑料混合物充分接触，有助于氯化锌对藻粉和塑料颗粒造孔作用，提高成炭的孔隙结构，有助于三氯化铁进入原料内部，提高成炭磁性。
步骤四，将干燥混合样品于管式炉中在惰性气氛环境下高温炭化90分钟；藻粉和塑料颗粒在高温下热解，形成炭材料，并在氯化钾的作用下产生孔隙结构。惰性气体营造缺氧环境，避免有氧燃烧会产生的毒害副产物。
步骤五，炭化结束后，冷却至室温，分别用0.1mol盐酸、300ml蒸馏水洗涤，并于60℃的烘箱中干燥，磨碎后过筛，得到磁性复合炭。酸水洗的作用是洗去高温炭化过程中产生的杂质，使炭材料的孔隙结构完整暴露，提高其孔容。
进一步，步骤四中，所述惰性气体为氮气、氩气或氦气中一种。
进一步，步骤四中，所述炭化温度为600～800℃。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提供了废弃物水华藻和聚丙烯塑料颗粒再利用的新思路，将水华藻、聚丙烯作为原料，采用氯化锌和三氯化铁作为活化剂和赋磁剂，经高温炭化得到复合活性炭。这种活性炭可以应用于吸附印染废水中的残余有机染料，降低水体的色度和浊度，具有吸附能力强、吸附容量大、稳定性高的优势。同时还具备了原料来源广泛，价格低廉，无二次污染，资源利用率高等特点，在水体污染修复领域有极高的实用价值，应用前景广阔。
本发明提供了一种利用有害水华藻及塑料制备磁性复合炭的方法，制得的磁性复合炭吸附性能好、吸附容量大、对水体中有机污染物的吸附性能尤佳。本发明进一步提供了一种上述磁性复合炭的应用，将所述的磁性复合炭作为吸附剂应用在水污染治理领域中。
本发明的磁性复合炭可以应用于染料废水污染的净化处理，以罗丹明B溶液模拟染料废水为例，平均去除率可达94.21％。
本发明的磁性复合炭作为吸附剂具有对水体有机污染物吸附能力强、吸附容量大、具有磁性、便于回收等优势，同时，原料来源广泛，价格低廉，资源利用率高，在水体污染修复领域有极高的实用价值，应用前景广阔。
本发明利用废弃聚丙烯塑料与水华藻复合制备活性炭不仅可以进一步提高活性炭的吸附能力，还可以在一定程度上缓解塑料污染，实现资源的充分利用。
本发明制备的磁性复合炭具有比表面积较大、孔容适宜、稳定性高等特点，可以有效解决其他印染废水处理技术的缺点，可以在处理强碱性的印染废水时仍能高效、稳定地发挥吸附功能，去除印染废水中残余的有机染料，降低水体的色度和浊度，且具备磁性，可以方便有效地回收，提高其利用率，进一步降低成本。本发明高温炭化产物照片如图2所示。复合炭照片如图3所示。吸附效果如图4所示。
本发明方法与现有技术对比表
Figure BDA0002368603660000051
现有方法之一指：蒋春霞,施衍.一种利用蓝藻制备活性炭的方法[P].江苏：CN108439398A,2018-08-24。
现有方法之二指：李文鹏,苏睿哲,韩金均.蓝藻水华活性炭及其制备方法[P].云南：CN101298327,2008-11-05。
本发明通过实验，获得的部分实验数据如下表
Figure BDA0002368603660000061
附图说明
图1是本发明实施例提供的利用有害水华藻及塑料制备磁性复合炭的方法流程图。
图2是本发明实施例提供的高温炭化产物照片图。
图3是本发明实施例提供的复合炭照片图。
图4是本发明实施例提供的吸附效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的技术方案与技术效果做详细说明。
本发明实施例提供的利用有害水华藻及塑料制备的磁性复合炭由水华藻、聚丙烯、氯化锌以及三氯化铁组成。
水华藻、聚丙烯、氯化锌以及三氯化铁质量比为：3:2～4:1.5～4.5:1～3。
本发明实施例提供的利用有害水华藻及塑料制备磁性复合炭的方法包括：
将水华藻与聚丙烯干燥混合，再与氯化锌、三氯化铁溶液混匀浸渍，经干燥后在高温状态下活化炭化，利用氯化锌对其进行活化造孔，利用三氯化铁对其赋磁，同时，聚丙烯为该活化炭化后的活性炭进一步补充了碳源并提供了较稳定的碳骨架。
如图1所示，本发明实施例提供的利用有害水华藻及塑料制备磁性复合炭的方法具体包括以下步骤：
S101，将水华藻洗净除杂，并与氯化锌、三氯化铁分别烘干至恒重，送入粉碎机中粉碎后过100目筛进行筛分。
S102，将一次性透明塑料餐盒洗净、干燥，送入粉碎机中粉碎后过100目筛进行筛分，得到聚丙烯。
S103，将筛分出的水华藻、聚丙烯、氯化锌、三氯化铁按质量比3:2～4:1.5～4.5:1～3配比，先用25ml蒸馏水溶解氯化锌、三氯化铁，再将水华藻、聚丙烯与溶液混合，于180r/min摇床中混合浸渍12小时，浸渍后将混合液置于60℃烘箱中烘至恒重。
S104，将干燥混合样品于管式炉中在惰性气氛环境下高温炭化90分钟。
S105，炭化结束后，冷却至室温，分别用0.1mol盐酸、300ml蒸馏水洗涤，并于60℃的烘箱中干燥，磨碎后过筛，得到磁性复合炭。
步骤S104中，本发明实施例提供的惰性气体为氮气、氩气或氦气中一种。
步骤S104中，本发明实施例提供的炭化温度为600～800℃。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
(1)将水华藻洗净除杂，并与氯化锌、三氯化铁分别烘干至恒重，送入粉碎机中粉碎后过100目筛进行筛分。
(2)将一次性透明塑料餐盒洗净、干燥，送入粉碎机中粉碎后过100目筛进行筛分，得到聚丙烯。
(3)将筛分出的水华藻、聚丙烯、氯化锌、三氯化铁按质量比3:1.5:3:1配比，先用25ml蒸馏水溶解氯化锌、三氯化铁，再将水华藻、聚丙烯与溶液混合，于180r/min摇床中混合浸渍12小时，浸渍后将混合液置于60℃烘箱中烘至恒重。
(4)将干燥混合样品于管式炉中在700℃、惰性气氛环境下高温炭化90分钟。
(5)炭化结束后，冷却至室温，分别用0.1mol盐酸、300ml蒸馏水洗涤，并于60℃的烘箱中干燥，磨碎后过筛，得到磁性复合炭。
实施例1制得的复合活性炭比表面积为2047m2/g，亚甲基蓝值为147.05mg/g。
将0.1g实施例1制得的磁性复合炭用于处理150mL含罗丹明B浓度为100mg/L的模拟染料废水，在常温的条件下置于摇床中振荡吸附6小时，过滤后测滤液中的罗丹明B浓度，计算吸附剂的去除率及吸附容量，实验重复三次。实验结果显示该方法制得的磁性复合炭对罗丹明B吸附的去除率为98.07％，吸附容量为282.63mg/g。
实施例2
(1)将水华藻洗净除杂，并与氯化锌、三氯化铁分别烘干至恒重，送入粉碎机中粉碎后过100目筛进行筛分。
(2)将一次性透明塑料餐盒洗净、干燥，送入粉碎机中粉碎后过100目筛进行筛分，得到聚丙烯。
(3)将筛分出的水华藻、聚丙烯、氯化锌、三氯化铁按质量比3:2.25:3:1配比，先用25ml蒸馏水溶解氯化锌、三氯化铁，再将水华藻、聚丙烯与溶液混合，于180r/min摇床中混合浸渍12小时，浸渍后将混合液置于60℃烘箱中烘至恒重。
(4)将干燥混合样品于管式炉中在700℃、惰性气氛环境下高温炭化90分钟。
(5)炭化结束后，冷却至室温，分别用0.1mol盐酸、300ml蒸馏水洗涤，并于60℃的烘箱中干燥，磨碎后过筛，得到磁性复合炭。
实施例2制得的复合活性炭比表面积为1998m2/g，亚甲基蓝值为143.81mg/g。
将0.1g实施例2制得的磁性复合炭用于处理150mL含罗丹明B浓度为100mg/L的模拟染料废水，在常温的条件下置于摇床中振荡吸附6小时，过滤后测滤液中的罗丹明B浓度，计算吸附剂的去除率及吸附容量，实验重复三次。实验结果显示该方法制得的磁性复合炭对罗丹明B吸附的去除率为95.26％，吸附容量为256.06mg/g。
由以上实施例可以看出，本发明制备的磁性复合炭具有较好的性能，实现了对有害水华藻和塑料资源的充分利用。
下面结合具体测试实验及数据对本发明作进一步描述。
图2是本发明实施例提供的高温炭化产物照片图。图3是本发明实施例提供的复合炭照片图。图4是本发明实施例提供的吸附效果图。
实施例1比表面积检测数据如下：
样品重量0.08437克；测试方法：多点BET；样品处理8020105120；环境温度24摄氏度；吸附测试结果2047.115415m2/g。
实施例2比表面积检测数据如下：
样品重量0.07251克；测试方法：多点BET；样品处理8020105120；环境温度25摄氏度；吸附测试结果1998.286073m2/g。
同时，本发明还通过相关实验，获得的实验数据如下表。
Figure BDA0002368603660000101
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用有害水华藻及塑料制备的磁性复合炭，其特征在于，所述利用有害水华藻及塑料制备的磁性复合炭由水华藻、聚丙烯、氯化锌以及三氯化铁组成；
按质量比水华藻：聚丙烯：氯化锌：三氯化铁＝3:2～4:1.5～4.5:1～3；
水华藻为包括铜绿微囊藻在内的蓝藻；
聚丙烯可替换为聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚氯乙烯PVC、聚苯乙烯PC塑料材料；
所述利用有害水华藻及塑料制备磁性复合炭的方法包括：
将水华藻与聚丙烯干燥混合，再与氯化锌、三氯化铁溶液混匀浸渍，经干燥后在高温状态下活化炭化，利用氯化锌进行活化造孔，以及利用三氯化铁赋磁；
所述利用有害水华藻及塑料制备的磁性复合炭可以在处理强碱性的印染废水时仍能高效、稳定地发挥吸附功能，去除印染废水中残余的有机染料。
2.一种制备如权利要求1所述的利用有害水华藻及塑料制备磁性复合炭的方法，其特征在于，所述利用有害水华藻及塑料制备磁性复合炭的方法具体包括以下步骤：
步骤一，将水华藻洗净除杂，并与氯化锌、三氯化铁分别烘干至恒重，送入粉碎机中粉碎后过100目筛进行筛分；
步骤二，将一次性透明塑料餐盒洗净、干燥，送入粉碎机中粉碎后过100目筛进行筛分，得到聚丙烯；
步骤三，将筛分出的水华藻、聚丙烯、氯化锌、三氯化铁按质量比3:2～4:1.5～4.5:1～3配比，先用25ml蒸馏水溶解氯化锌、三氯化铁，再将水华藻、聚丙烯与溶液混合，于180r/min摇床中混合浸渍12小时，浸渍后将混合液置于60℃烘箱中烘至恒重；
步骤四，将干燥混合样品于管式炉中在惰性气氛环境下高温炭化90分钟；
步骤五，炭化结束后，冷却至室温，分别用0.1mol盐酸、300ml蒸馏水洗涤，并于60℃的烘箱中干燥，磨碎后过筛，得到磁性复合炭。
3.如权利要求2所述利 用有害水华藻及塑料制备磁性复合炭的方法，其特征在于，步骤三中，聚丙烯用于补充碳源并提供稳定的碳骨架。
4.如权利要求2所述利用有害水华藻及塑料制备磁性复合炭的方法，其特征在于，步骤四中，所述惰性气体为氮气、氩气或氦气中一种。
5.如权利要求2所述利用有害水华藻及塑料制备磁性复合炭的 方法，其特征在于，步骤四中，所述炭化温度为600～800℃。
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