CN111905691A - 一种生物质炭的快速氧化改性方法及其产品和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物环保技术领域，公开了一种生物质炭的快速氧化改性方法，是对生物质炭进行微波加热，得到氧化改性生物质炭；其中，所述微波加热时间为1～600s，所述微波加热的功率为600～1500W；所述生物质炭包括水稻秸秆生物质炭、玉米秸秆生物质炭、玉米芯生物质炭、木片生物质炭、棉杆生物质炭和活性炭中的至少一种；本发明还公开了该制备方法制备得到的氧化改性生物质炭及其在去除环境中污染物上的应用；其中，所述环境水体和土壤中的至少一种，所述污染物包括重金属和有机污染物中的至少一种；本发明的快速氧化改性方法达到了高效提升吸附性能、显著降低能耗和缩短改性时间，具有简单方便、低成本以及绿色环保的效果。

Description

一种生物质炭的快速氧化改性方法及其产品和应用
技术领域
本发明涉及生物环保技术领域，具体是一种生物质炭的快速氧化改性方法及其产品和应用。
背景技术
生物质炭是生物质经烘焙、热解、气化和水热炭化等热化学转化后得到的固态富炭产物，生物质的来源主要包括农作物秸秆、畜禽粪便、市政污泥、园林绿化废弃物、餐厨垃圾和工业有机废弃物等。生物质炭作为一种新兴的材料，凭借其相对较低的生产成本，可再生且较丰富的生物质废弃物来源，多样的生态、农业和环境功能(如缓解气候变化、改良土壤品质、吸附养分和污染物)，以及易于通过结构修饰强化其功能(如表面官能团修饰、孔隙结构修饰、外源组分掺杂制复合材料)等诸多优势，在水体和土壤的污染控制方面获得了广泛的关注。
生物质炭是一种具有异质结构的材料，例如在元素层面，除碳元素以外，还包括多种有机和无机元素；在物相组成方面，可分为有机的炭基体和无机的矿物质(如碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐等)，属于天然的多相复合材料；在界面层面，含有多种官能团，具有表面电荷；在分子层面，生物质炭含有小部分的溶解性小分子，而大部分碳元素以非溶解性的炭基体形式存在，同时炭基体又以无定形芳香碳、共轭芳香碳和石墨化碳等形式存在；另外，根据生物质炭的溶解性，生物质炭还可以分为>0.45μm的非溶解性组分和<0.45μm的溶解性组分。而生物质炭的这些异质结构共同参与了其对污染物的吸附或固定过程，其对重金属的吸附主要包括以下过程：
(1)重金属离子与生物质炭内在矿物质中的碳酸盐、磷酸盐和硅酸盐等矿物质发生化学沉积；
(2)重金属离子与生物质炭中的钾、纳、钙和镁等矿物质离子发生离子交换；
(3)重金属离子与生物质炭表面含氧官能团(如-OH和-COOH)发生络合反应；
(4)重金属离子与软配体(如-C＝O)或者芳香环发生阳离子-π电子互作；
因此，生物质炭对多种污染物都具有一定的吸附作用。但是，由于生物质炭的自身结构存在缺少含氧官能团、比表面积比较低等限制，使其吸附性能仍然不够高效，需要通过后续的改性来提升其吸附性能。
生物质炭的传统改性方法主要分为三类，即官能团修饰、活化和外源组分掺。其中，官能团修饰主要为氧化、氨化等修饰，以增加污染物的吸附位点；活化是通过化学或物理活化来提升比表面积、调节孔隙结构，增加污染物与吸附剂的接触；外源组分掺杂主要是掺入粘土矿物、金属及其(氢)氧化物或者纳米材料，以增加生物质炭的活性吸附位点。
这些方法虽然可以增加生物质炭的吸附性能，但存在工艺复杂、需要多种化学试剂、耗时长、能耗高(如活化或者外源组分掺杂)和产生的废水会对环境造成污染等问题，因此难以满足实际应用。
综上所述，我们亟需一种能够在提高产物吸附性能的条件下，降低能耗和缩短反应时间，并且简单方便、低成本以及绿色环保的生物质炭的快速氧化改性方法，以推动生物质炭材料的实际应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种生物质炭的快速氧化改性方法，以达到提升产物吸附性能、降低能耗和缩短反应时间，并且简单方便、低成本以及绿色环保的效果。
本发明的另一目的在于提供一种由上述制备方法制得的氧化改性生物质炭及其应用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种生物质炭的快速氧化改性方法，是对生物质炭进行微波加热，得到氧化改性生物质炭。
通过上述技术方案，由于生物质炭自身具有良好的介电性能和吸波性能，因此在进行微波加热时快速释放的焦耳热能够使生物质炭快速升高温度，从而在空气气氛的条件下实现快速氧化，达到了显著缩短反应时间的效果；同时，采用微波加热的方式对生物质炭进行改性能够提高产物中含氧官能团的含量，从而达到了提高其对有机污染物和重金属离子吸附性能的效果。
应当理解的是，尽管现有技术中已存在利用常规加热对生物质炭进行氧化改性，以提高其吸附性能的研究，但其与本发明中所述的快速氧化改性方法存在不同。具体地，本发明的微波加热相对于常规加热不仅能够显著缩短反应时间，还能够更好地提高产物中含氧官能团的含量；也就是说，微波加热所起到的作用不仅是缩短反应时间，而是在显著缩短反应时间的条件下，提高所得产物的吸附性能。由此可知，现有技术对于本发明不存在借鉴作用。
进一步的，所述生物质炭包括水稻秸秆生物质炭、玉米秸秆生物质炭、玉米芯生物质炭、木片生物质炭、棉杆生物质炭和活性炭中的至少一种。
进一步的，所述微波加热是在空气气氛中进行的。
进一步的，所述微波加热的功率为600～1500W。
应当理解的是，上述对功率的限定，仅仅是为实现对生物质炭的快速氧化改性所提供的优选，而并不意味着上述限定是唯一的。也就是说，本领域技术人员也可根据待改性生物质炭的数量、大小等实际情况对功率进行适应性调整。
进一步的，所述微波加热的时间为1～600s。
进一步的，所述微波加热的时间为10～60s。
由上述的一种生物质炭的快速氧化改性方法制备得到的氧化改性生物质炭。
上述的氧化改性生物质炭在去除环境污染物上的应用。
进一步的，所述环境包括水体和土壤中的至少一种。
进一步的，所述污染物包括重金属和有机污染物中的至少一种。
本发明的有益效果是：
1.本发明的一种生物质炭的快速氧化改性方法，采用微波加热的方式，结合生物质炭自身良好的介电性能和吸波性能，达到了在显著缩短生物质炭氧化改性时间的同时，显著提高其吸附性能的效果。
2.本发明的一种生物质炭的快速氧化改性方法，还具有流程简单方便、反应条件温和、无需化学试剂和不产生废水等优点，适用于作为热解/气化副产物的生物质炭的后续改性，具有较好的实际应用前景。
附图说明
图1为本发明的对照试验A中各组生物质炭的有机碳元素和氧元素的含量变化图；
图2为本发明的对照试验B中各组生物质炭的亚甲基蓝吸附容量图；
图3为本发明的对照试验C中各组生物质炭的铅离子吸附容量图；
图4为本发明的对照试验D中各组生物质炭的铅离子吸附容量图；
其中，Rice straw biochar为未改性的水稻秸秆生物质炭，Rice straw biochar-800W-10S为实施例1制得的氧化改性生物质炭，Rice straw biochar-800W-40S为实施例2制得的氧化改性生物质炭；Corn straw biochar为未改性的玉米秸秆生物质炭，Cornstraw biochar-800W-10S为实施例3制得的氧化改性生物质炭，Corn straw biochar-600W-60S为实施例4制得的氧化改性生物质炭；Bamboo activated carbon为未改性的竹子活性炭，Bamboo activated carbon-1000W-30S为实施例5制得的氧化改性生物质炭；Cotton stalk biochar为未改性的棉杆生物质炭，Cotton stalk biochar～300℃-30min为在300℃下常规加热30min制得的氧化改性生物质炭，Cotton stalk biochar-600W-60S为实施例6制得的氧化改性生物质炭，Cotton stalk biochar-600W-300S为实施例7制得的氧化改性生物质炭。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例1
一种生物质炭的快速氧化改性方法，是将水稻秸秆生物质炭置于微波加热反应器中，调节功率为800W，并在空气气氛下对其微波加热10s，再进行冷却，得到氧化改性生物质炭。
实施例2
一种生物质炭的快速氧化改性方法，是将水稻秸秆生物质炭置于微波加热反应器中，调节功率为800W，并在空气气氛下对其微波加热40s，再进行冷却，得到氧化改性生物质炭。
实施例3
一种生物质炭的快速氧化改性方法，是将玉米秸秆生物质炭置于微波加热反应器中，调节功率为800W，并在空气气氛下对其微波加热10s，再进行冷却，得到氧化改性生物质炭。
实施例4
一种生物质炭的快速氧化改性方法，是将玉米秸秆生物质炭置于微波加热反应器中，调节功率为600W，并在空气气氛下对其微波加热60s，再进行冷却，得到氧化改性生物质炭。
实施例5
一种生物质炭的快速氧化改性方法，是将竹子活性炭置于微波加热反应器中，调节功率为1000W，并在空气气氛下对其微波加热30s，再进行冷却，得到氧化改性生物质炭。
实施例6
一种生物质炭的快速氧化改性方法，是将棉杆生物质炭置于微波加热反应器中，调节功率为600W，并在空气气氛下对其微波加热60s，再进行冷却，得到氧化改性生物质炭。
实施例7
一种生物质炭的快速氧化改性方法，是将棉杆生物质炭置于微波加热反应器中，调节功率为600W，并在空气气氛下对其微波加热300s，再进行冷却，得到氧化改性生物质炭。
试验效果
1.为了验证本发明的氧化改性生物质炭的改性效果，进行了对照试验A，结果见图1。测试方法为：将未改性的水稻秸秆生物质炭和未改性的玉米秸秆生物质炭分别作为2个对照组，将实施例1～4制得的氧化改性生物质炭分别作为4个实验组，并分别对各组生物质炭中有机碳元素和氧元素含量进行了测定。
由图1可知，不同来源的生物质炭经不同功率的微波加热较短时间后，其中的有机碳元素含量大幅降低，而有机氧元素的含量大幅上升。例如，未改性的水稻秸秆生物质炭中，碳和氧的含量分别为48.4％和2.8％；经800W微波加热10s后，碳含量降低至42.1％，而氧含量上升至3.4％；进一步将加热时间提高至60S后，碳含量进一步下降至38.3％，而氧含量进一步提升至6.2％。由此可知，微波加热可以快速高效地生物质炭进行氧化改性。
2.为了验证本发明的氧化改性生物质炭的吸附效果，分别进行了对照试验B、对照试验 C和对照试验D，结果见图2～4。
(1)对照试验B的测试方法为：将未改性的水稻秸秆生物质炭、未改性的玉米秸秆生物质炭和未改性的竹子活性炭分别作为3个对照组，将实施例1～5制得的氧化改性生物质炭分别作为5个实验组，并分别测定各组生物质炭对亚甲基蓝的吸附能力；其中，亚甲基蓝的初始浓度为100mg/L，各组生物质炭的添加量为0.25g/L。
(2)对照试验C的测试方法为：将未改性的水稻秸秆生物质炭、未改性的玉米秸秆生物质炭和未改性的竹子活性炭分别作为3个对照组，将实施例1～5制得的氧化改性生物质炭分别作为5个实验组，并分别测定各组生物质炭对铅离子的吸附能力；其中，铅离子的初始浓度为100mg/L，各组生物质炭的添加量为0.25g/L。
(3)对照试验D的测试方法为：将未改性的棉杆生物质炭和在300℃下常规加热30min 制得的氧化改性生物质炭分别作为对照组，将实施例6～7制得的氧化改性生物质炭分别作为 2个实验组，并分别测定各组生物质炭对铅离子的吸附能力；其中，铅离子的初始浓度为 100mg/L，各组生物质炭的添加量为0.25g/L。
由图2～3可知，不同来源的生物质炭经短时间的微波加热后，对亚甲基蓝和铅的吸附容量大幅提升。例如，未改性的水稻秸秆生物质炭对亚甲基蓝和铅的吸附容量分别为32mg/g 和46mg/g；经800W微波加热10s后，其对亚甲基蓝和铅的吸附容量可以分别大幅提升到 210mg/g和132mg/g，即分别提高至原来的6.56倍和2.87倍。由此可知，微波加热制得的氧化改性生物质炭的吸附性能得到了显著提高。
由图4可知，虽然相比于未改性的生物质炭，常规加热制得的氧化改性生物质炭对铅离子的吸附性能得到了提高；但是，相比于常规加热制得的氧化改性生物质炭，经微波加热制得的氧化改性生物质炭，所需改性的时间更短，而对铅离子的吸附性能却更好；并且微波加热的时间相应提高，其对铅离子的吸附性能也会显著提高。由此可知，微波加热制得的氧化改性生物质炭，不仅显著缩短了改性时间，并且显著提高了自身的吸附性能。
综上所述，本发明的一种氧化改性生物质炭的制备方法，达到了提升产物吸附性能、降低能耗和缩短反应时间，并且简单方便、低成本以及绿色环保的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种生物质炭的快速氧化改性方法，其特征在于，是对生物质炭进行微波加热，得到氧化改性生物质炭。
2.根据权利要求1所述的一种生物质炭的快速氧化改性方法，其特征在于，所述生物质炭包括水稻秸秆生物质炭、玉米秸秆生物质炭、玉米芯生物质炭、木片生物质炭、棉杆生物质炭和活性炭中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种生物质炭的快速氧化改性方法，其特征在于，所述微波加热是在空气气氛中进行的。
4.根据权利要求1所述的一种生物质炭的快速氧化改性方法，其特征在于，所述微波加热的功率为600～1500W。
5.根据权利要求1所述的一种生物质炭的快速氧化改性方法，其特征在于，所述微波加热的时间为1～600s。
6.根据权利要求5所述的一种生物质炭的快速氧化改性方法，其特征在于，所述微波加热的时间为10～60s。
7.由权利要求1～6任一项所述的一种生物质炭的快速氧化改性方法制备得到的氧化改性生物质炭。
8.如权利要求7所述的氧化改性生物质炭在去除环境中污染物上的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述环境包括水体和土壤中的至少一种。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述污染物包括重金属和有机污染物中的至少一种。
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