CN112028071A - 一种废弃芒果核生物炭及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种废弃芒果核制备生物炭的方法，属于生物炭制备技术领域。本发明以芒果加工过程中以及果园或农贸市场芒果腐烂产生的大量废弃芒果核为基础物质，通过清洗、烘干、粉碎后，得到芒果核粉末，然后在氮气保护下热解，得到一种芒果核生物炭产品。实例证明，本发明不仅原料易得，制备方法简单，生产成本低，效率高，将果品废弃物资源化利用，实现了废物利用，节约了资源，有效解决了芒果核高附加值资源化利用，制成的生物炭环保、安全，具有良好的大规模生产的前景，而且可有效减少其产生的环境污染问题。

Description

一种废弃芒果核生物炭及其制备方法
技术领域
本发明属于生物质资源化利用领域，具体涉及一种生物炭的制备方法。
背景技术
利用农业、工业有机废弃物等生物质制备低成本的环保材料既有利于废弃物的合理管理，也可以有效的减轻其造成的环境污染，具有重要的意义，尤其当前污染严重、环境质量下降且资源紧张的背景下，亟需开发廉价可持续且有效的环保材料。
生物炭是指生物质在绝氧或缺氧的条件下经高温热解得到的富含稳定性碳的有机物质。生物炭可由工农业废弃物制备，既可作为高品质能源、土壤改良剂，也可作为还原剂、肥料缓释载体及二氧化碳封存剂等，已广泛应用于固碳减排、土壤改良、水体净化等，可在一定程度上为气候变化、环境污染和土壤功能退化等全球关切的热点问题提供解决方案。因此将废弃生物质转化成生物炭，被认为是一种可持续的环保材料，具有优越的应用前景。
芒果是第二大热带水果，年产量超过50.6百万吨。芒果废弃物约占芒果总重量的16％-64％，其中芒果核占芒果总重量的20％-60％。随着我国芒果产业的发展，每年会产生大量的芒果核废弃物，如果不能合理的处理，就会导致严重的环境污染，造成严重的资源浪费。随着现代工农业的快速发展和环境保护要求的逐步提高，生物炭日益受到关注。目前制备生物炭的前体物质主要有污泥、农作物秸杆、动物粪便、木屑等。随着全球资源的日益短缺及环保意识的加强，生物炭的需求量越来越大，工农业有机废弃物逐步成为人们关注的对象和焦点。然而，常规热解法制备的生物炭因为原料的不同，性能差异明显，且比表面积、表面官能团不足，限制了其在污染物吸附中的应用，因此需要针对不同的原料对制备方法进行优化。
基于以上考虑，本发明提出了一种以芒果核为原料来制备生物炭，旨在提供一种新型的芒果核利用方式，减少污染，提高其附加值，所得的产品还能用于改良土壤、污染水体的修复等。
发明内容
本发明所用解决的技术问题：针对现在芒果核浪费的问题，提供了一种芒果核生物炭资源化利用的方式。本发明的目的是提供一种废弃芒果核生物炭，本发明的另一个目的是提供一种废弃芒果核生物炭的制备方法，以期解决芒果核废弃物造成的环境污染问题，通过将其高效转化为生物炭，对其进行有效的资源化管理。
实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种废弃芒果核生物炭的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将芒果核洗净、烘干、粉碎，过50目筛，得到芒果核渣；
步骤2：将步骤1得到的芒果核渣置于烧杯中，加入H2O2溶液，充分搅拌后，超声，过滤，用蒸馏水洗至pH为中性后烘干至恒重，研磨，得到活化的芒果核粉末；
步骤3：将干燥的活化的芒果核粉末置于石英方舟，放入管式炉中，氮气保护，氮气通入速率为30mL/min，管式炉的升温速率为10℃/min，升温至300-700℃，炭化2h后，冷却至室温，得到预处理芒果核生物炭；
步骤4：将制得的预处理芒果核生物炭用蒸馏水反复洗涤至洗涤液的pH为中性，然后烘干至恒重、粉碎，过100目筛，干燥保存。
进一步地，制备芒果核渣的步骤中，烘干温度为60-65℃，烘干时间为8-12h。
进一步地，上述的H2O2溶液浓度为10％；
进一步地，上述的芒果核渣与H2O2的质量体积比为20g/250mL；
进一步地，芒果核渣与H2O2的活化超声时间为2h。
进一步地，炭化温度为700℃。
本发明还提供一种芒果核生物炭，由上述方法制备而成。
本发明还提供上述芒果核生物炭在在吸附废水中重金属Cd的应用。
本发明还提供一种修复含Cd废水的方法，调节水体中Cd离子浓度为10-300mg/L，在含有Cd的废水中加入上述芒果核生物炭，于30℃恒温摇床中振荡8h，振荡完毕后过滤。
本发明的有益效果是：
当前常规热解法制备的生物炭由于其制备材料不同，性能差异明显，且吸附能力较差，用芒果核废弃物制备成为生物炭，通过H2O2活化，提高生物炭的含氧官能团含量，具有较强的吸附污染物性能，用芒果皮废弃物制备成为生物炭，既可以实现废弃物资源化利用，减少废弃物的污染，还可以应用于污染修复，提供一种环保、廉价的污染物处理环保材料。目前以芒果核为原料制备生物炭还未见相关文献报道。
本发明有效利用废弃芒果核制备生物炭，实现废弃物资源化利用，既减少了环境污染，又增加了其附加值，有利于废弃物的有效化管理。
本发明将废弃芒果核通过破碎、干燥、炭化等工艺，制备的芒果核废弃物生物炭，炭化率达24.55～39.27％。
本发明提出的制备芒果核生物炭工艺条件和操作流程简便，所得的生物炭毒性低、成本低、具有吸附能力，为废弃芒果核的高效回收利用，避免环境污染，增加其附加值，提供了有力的技术支撑。
相较于常规热解法制备的生物炭，芒果核生物炭孔隙结构发达，含氧官能团丰富，更有利于对重金属的络合，提高吸附效果，对重金属的吸附量高于市场常见生物炭。
附图说明
图1为实施例1～5中所述生物炭的SEM图；
图2为实施例1～5中所述生物炭的傅里叶红外光谱图；
图3为实施例1～5中所述生物炭的XRD图；
图4为实施例1～5中所述生物炭对Cd的吸附量；
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
1)将废弃芒果核洗净，于65℃烘箱中烘干，粉碎，过50目筛，得到芒果核碎屑；
2)将50g芒果核碎屑置于1000mL烧杯中，加入625mL的10％的H2O2溶液中，超声2h后滤出，用蒸馏水洗至pH为中性，将滤渣烘干，研磨，作为以下实施例的原料。
实施例1
将10g芒果核粉末置于管式炉内，开启氮气气氛，氮气通入速率为30mL/min，然后以10℃/min的升温速率升温至300℃炭化2h。炭化结束后，待管式炉内冷却后取出，用蒸馏水清洗至中性，再过滤烘干至恒重，研磨过
实验例2
将10g芒果核碎屑置于管式炉内，开启氮气气氛，氮气通入速率为30mL/min，然后以10℃/min的升温速率升温至400℃炭化2h。炭化结束后，待管式炉内冷却后取出，用蒸馏水清洗至中性，再过滤烘干至恒重，研磨过100目筛干燥保存备用，即得芒果核生物炭，生物炭的产率为35.42％。
实施例3
将10g芒果核碎屑置于管式炉内，开启氮气气氛，氮气通入速率为30mL/min，然后以10℃/min的升温速率升温至500℃炭化2h。炭化结束后，待管式炉内冷却后取出，用蒸馏水清洗至中性，再过滤烘干至恒重，研磨过100目筛干燥保存备用，即得芒果核生物炭，生物炭的产率为31.55％。
实施例4
将10g芒果核碎屑置于管式炉内，开启氮气气氛，然后以10℃/min的升温速率升温至600℃炭化2h。炭化结束后，待管式炉内冷却后取出，用蒸馏水清洗至中性，再过滤烘干至恒重，研磨过100目筛干燥保存备用，即得芒果核生物炭，生物炭的产率为27.77％。
实施例5
将10g芒果核碎屑置于管式炉内，开启氮气气氛，然后以10℃/min的升温速率升温至700℃炭化2h。炭化结束后，待管式炉内冷却后取出，用蒸馏水清洗至中性，再过滤烘干至恒重，研磨过100目筛干燥保存备用，即得芒果核生物炭，生物炭的产率为24.55％。
实施例6对实施例制备得到的生物炭从SEM表征结构、元素分析和FT-IR等方面进行表征。
1)生物炭SEM表征结构
通过SEM(扫描电子显微镜)对不同温度的芒果核生物炭进行了表征，图1可以看出，芒果核生物炭具有明显的孔隙结构，且随着热解温度的升高，生物炭表面结构发生了明显变化，孔隙随着热解温度的升高而减小，孔隙数量增加，提高生物炭的比表面积，增加生物炭的介孔结构，利于生物炭吸附。此外，与未活化的700℃下得到的生物炭相比，活化后的生物炭表面较光滑，孔隙增多，结构特征更明显，有利于Cd与生物炭的充分接触，从而增强吸附能力。
2)通过元素分析仪测定芒果核生物炭的元素组成，元素分析如表1。
表1各热解温度下芒果核生物炭的元素分析
Figure BDA0002687183630000051
可以看出，随着热解温度的升高，碳含量增加，氧含量减少，氢含量略微降低，生物炭的芳香性增强，稳定性提高，这可能是由于随着热解温度的升高，原料中纤维素、半纤维素、木质素和结合水的分解，提高了生物炭的热稳定性。
3)FT-IR表征
通过FT-IR(傅里叶红外光谱)对300-700℃下制备的芒果核生物炭进行了表征，图2可以看出芒果核生物炭含有多种官能团，随着热解温度的升高，部分含氧官能团含量减少，同时出现了新的官能团，有利于吸附效果的提升。
4)XRD表征
通过XRD对300-700℃下制备的芒果核生物炭进行了表征，图3可以看出芒果核生物炭23°附近的宽峰是有序碳层结构的特征峰，表明存在典型的芳香碳结构。随着热解温度的升高，峰值变得更加明显。在2θ＝29.32°处的峰代表方解石，且该峰随热解温度的升高而增强。
实施例7
将制备所得的芒果核生物炭称取0.01g加入5mL的100mg/L的镉溶液中，于30℃恒温摇床中振荡8h，振荡完毕后过滤，测定吸附前后镉离子浓度变化，从图4可以看出，700℃下制得的芒果核生物炭对镉离子的吸附效果最好，吸附量为24.35mg/g。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、变更、改进等，皆应属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种芒果核生物炭的制备方法，其特征在于，制备过程包括以下步骤：
将废弃芒果核洗净、烘干、粉碎成渣，过筛后得到芒果核渣；
将芒果核渣置于烧杯中，加入H2O2溶液，充分搅拌后超声，过滤，将滤渣用蒸馏水洗至pH为中性，烘干至恒重，研磨，得到活化的芒果核粉末；
将活化的芒果核粉末放入石英方舟中，置于管式炉，氮气保护下，管式炉升温速率为10℃/min，从室温升温至300-700℃，炭化2h后，冷却至室温，得到预处理芒果核生物炭；
将预处理芒果核生物炭用去离子水反复洗涤至洗涤液的pH为中性，烘干至恒重，粉碎，过筛，获得芒果核生物炭。
2.如权利要求1所述的芒果核生物炭的制备方法，其特征在于，制备芒果核渣的步骤中，烘干温度为60-65℃，烘干时间为8-12h。
3.如权利要求1所述的芒果核生物炭的制备方法，其特征在于，炭化温度为700℃。
4.如权利要求1所述的芒果核生物炭的制备方法，其特征在于，所述H2O2溶液的浓度为10％。
5.如权利要求1所述的芒果核生物炭的制备方法，其特征在于，所述芒果核渣与H2O2的质量体积比为20g/250mL。
6.如权利要求1所述的芒果核生物炭的制备方法，其特征在于，所述芒果核渣与H2O2的活化超声时间为2h。
7.如权利要求1所述的芒果核生物炭的制备方法，其特征在于，所述氮气通入速率为30mL/min。
8.一种芒果核生物炭，其特征在于，由权利要求1～7任一项所述方法制备而成。
9.权利要求8所述芒果核生物炭在在吸附废水中重金属Cd的应用。
10.一种修复含Cd废水的方法，其特征在于，调节水体中Cd离子浓度为10-300mg/L，在含有Cd的废水中加入权利要求8所述的芒果核生物炭，于30℃恒温摇床中振荡8h，振荡完毕后过滤。
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