CN112774624A - 多孔炭基材料、硝态氮吸附剂及其制备方法和应用 - Google Patents

多孔炭基材料、硝态氮吸附剂及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN112774624A
CN112774624A CN202011355999.3A CN202011355999A CN112774624A CN 112774624 A CN112774624 A CN 112774624A CN 202011355999 A CN202011355999 A CN 202011355999A CN 112774624 A CN112774624 A CN 112774624A
Authority
CN
China
Prior art keywords
porous
nitrate nitrogen
adsorption
adsorbent
carbon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202011355999.3A
Other languages
English (en)
Inventor
罗源
张怀民
杨志杰
冯润云
李新
黄昆明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chengdu Daqi Environmental Technology Co ltd
Original Assignee
Chengdu Daqi Nengzi Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chengdu Daqi Nengzi Technology Co ltd filed Critical Chengdu Daqi Nengzi Technology Co ltd
Priority to CN202011355999.3A priority Critical patent/CN112774624A/zh
Publication of CN112774624A publication Critical patent/CN112774624A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/20—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising free carbon; comprising carbon obtained by carbonising processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/06—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising oxides or hydroxides of metals not provided for in group B01J20/04
    • B01J20/08—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising oxides or hydroxides of metals not provided for in group B01J20/04 comprising aluminium oxide or hydroxide; comprising bauxite
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28054—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
    • B01J20/28057—Surface area, e.g. B.E.T specific surface area
    • B01J20/28064—Surface area, e.g. B.E.T specific surface area being in the range 500-1000 m2/g
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28054—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
    • B01J20/28057—Surface area, e.g. B.E.T specific surface area
    • B01J20/28066—Surface area, e.g. B.E.T specific surface area being more than 1000 m2/g
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28054—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
    • B01J20/28069—Pore volume, e.g. total pore volume, mesopore volume, micropore volume
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/28—Treatment of water, waste water, or sewage by sorption
    • C02F1/281—Treatment of water, waste water, or sewage by sorption using inorganic sorbents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/10—Inorganic compounds
    • C02F2101/16—Nitrogen compounds, e.g. ammonia
    • C02F2101/163—Nitrates

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)

Abstract

本发明公开了多孔炭基材料、硝态氮吸附剂及其制备方法和应用，以解决现有技术中活性炭材料存在的对低浓度硝态氮吸附性能低的技术问题。该多孔炭基材料包括：多孔吸附基体，所述多孔吸附基体主要由多孔活性炭构成；以及静电吸附层，所述静电吸附层附着于所述吸附基体的孔隙表面。在本发明中，除高吸附性能的多孔活性炭之外，多孔炭基材料还具有附着在多孔吸附基体表面的静电吸附层，可以通过静电吸附作用显著增加多孔炭基材料的吸附量，由此可以对低浓度的污染物进行有效吸附，显著增强多孔炭基材料的实用性。

Description

多孔炭基材料、硝态氮吸附剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及水污染治理的技术领域，尤其涉及水中硝态氮去除的技术领域，具体而言，涉及多孔炭基材料、硝态氮吸附剂及其制备方法和应用。
背景技术
许多地区癌症发病率高与饮用水中浓度过高的硝酸盐具有紧密的联系，虽然硝态氮(指硝酸盐中所含有的氮元素)本身对身体无大碍，可是当它经胃肠进入人体后会被体内的硝酸还原菌还原，生成对人体危害巨大的亚硝酸盐，亚硝酸盐迅速进入血液形成无法运载氧气的高铁血红蛋白，造成人体缺氧，患高铁血红蛋白症。此外亚硝酸盐可能结合次级胺生成强致癌物质亚硝胺，诱发人体消化系统癌变。硝态氮污染来源有许多，例如农业肥料不加控制的使用以及肥料利用率低，造成地下水大面积的氮磷污染。
去除水中的硝态氮方法目前有以下几种：(一)生物还原法，外加碳源为微生物生长提供能量与电子，反硝化细菌逐步还原硝态氮最终将其转化为N2；(二)反渗透法，运用反渗透膜将溶质与溶剂分离，去除率高；(三)化学还原法，在催化剂作用条件下通入氢气将硝态氮还原；(四)吸附法，利用比表面积大的多孔材料吸附水中的污染物。
上述方法中，吸附法因能耗低、工艺简单、多孔材料可重复利用、去除率高等优点而广泛应用，其中，又以环保易得、制作成本低的生物质活性炭备受追捧。然而，现有活性炭的低浓度硝态氮去除率低且平均吸附量不高，难以对低浓度的硝态氮水溶液进行高效去除。因此研制出能够在常规条件下对水中低浓度的硝态氮进行高效去除且制备方法简单、成本低又环保的活性炭材料及其制备方法成为现阶段亟需解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供多孔炭基材料、硝态氮吸附剂及其制备方法和应用，以解决现有技术中活性炭材料存在的对低浓度硝态氮吸附性能低的技术问题。
为了实现上述目的，本发明首先提供了多孔炭基材料。该多孔炭基材料包括：
多孔吸附基体，所述多孔吸附基体主要由多孔活性炭构成；以及
静电吸附层，所述静电吸附层附着于所述吸附基体的孔隙表面。
在本发明中，除高吸附性能的多孔活性炭之外，多孔炭基材料还具有附着在多孔吸附基体表面的静电吸附层，可以通过静电吸附作用显著增加多孔炭基材料的吸附量，由此可以对低浓度的污染物进行有效吸附，显著增强多孔炭基材料的实用性。
进一步地是，所述多孔活性炭为生物质活性炭，优选为竹质活性炭，进一步优选为楠竹活性炭。
进一步地是，所述静电吸附层主要由氧化铝构成。首先，氧化铝的静电吸附作用强，负载在多孔吸附基体的孔隙表面能通过静电吸附显著增加对硝态氮的吸附量；其次，氧化铝本身具有较为丰富的孔隙，对污染物具有较高的吸附量；因此，氧化铝对多孔炭基材料的吸附性能提升非常显著。
进一步地是，所述多孔吸附基体与静电吸附层的质量比为17～46。发明人发现，当静电吸附层的含量过低时所制备的活性炭基材料的吸附性能无明显提高；但是若静电吸附层的含量过高，静电吸附层容易脱落，使用寿命缩短，并且静电吸附层容易脱落会致使活性炭基材料的孔隙堵塞，从而使活性炭基材料的比表面积降低，吸附性能降低。
进一步地是，微孔孔容≥0.353cm3/g，且微孔孔容占总孔容的65.47％以上；并且/或者，微孔表面积≥932.406m2/g，且微孔比表面积占BET比表面积的82.33％以上。
为了实现上述目的，本发明其次提供了硝态氮吸附剂。该硝态氮吸附剂主要由上述的多孔炭基材料构成。
进一步地是，粒度为2.5～5mm；当硝态氮吸附剂的粒度低于上述数值范围时，不仅制备成本高，而且使用时容易扬尘；当硝态氮吸附剂的粒度高于上述数值范围时，则硝态氮吸附剂的比表面积小，吸附性能下降。因此，粒度优选为2.5～5mm。
进一步地是，对硝酸钾的最大吸附量为7.19mg/g。很明显，当硝态氮吸附剂对硝酸钾表现出高吸附量时，对其余的硝酸盐也必然具有不低的吸附量，完全能够应用于硝态氮的吸附去除。
进一步地是，对浓度为25mg/L的硝酸钾溶液的去除率≥82.92％；对浓度为10mg/L的硝酸钾溶液的去除率≥80.67％。由此可见，本发明的硝态氮吸附剂能够有效去除低浓度溶液中的硝态氮，完全能够适应实际需求。
为了实现上述目的，本发明进一步提供了硝态氮吸附剂的制备方法。该硝态氮吸附剂的制备方法包括以下步骤：
(1)对竹材进行炭化和制粉，得到炭化料；
(2)对炭化料进行活化处理，得到活化料；
(3)对活化料进行酸洗和水洗处理，获得多孔吸附基体；
(4)在多孔吸附基体的孔隙表面附着铝离子，得到吸附剂前驱体；
(5)对吸附剂前驱体进行煅烧处理，得到硝态氮吸附剂。
在上述制备方法中，通过酸洗可以去除活化料表面的部分灰分、有机物及金属，增加活化料表面的含氧官能团和空隙，不仅为接下来的负载提供有利条件，而且还有利于硝态氮的吸附。氧化铝在多孔吸附基体表面原位生成，显著提升了多孔吸附基体与静电吸附层的结合力，可以反复再生使用，显著延长硝态氮吸附剂的使用寿命。采用楠竹为生物质活性炭原料，相比于煤炭，竹炭的金属杂质较少，适宜用作水处理材料，不会对人体健康造成威胁，且竹子生长周期短，原料环保易得，让我们既得到了性能更为优异的生物质活性炭材料又避免了使用不可再生能源煤，为环保事业做出贡献；且四川作为竹子产地，资源丰富成本低，开发竹质活性炭能够加快山村经济发展。
进一步地是：
步骤(1)中，炭化温度为550～700℃，时间为60～120分钟；
步骤(2)中，采用水蒸气进行活化，水蒸气与炭化料的质量比为0.3～0.45mL/g，活化温度为700～900℃，活化时间为90～180分钟；
步骤(3)中，采用质量分数为4～7％的盐酸进行酸洗，酸洗时间为6～10小时；
步骤(4)中，铝源为硝酸铝或氯化铝；
步骤(5)中，煅烧温度为80～100℃，时间为8～12小时。
为了实现上述目的，本发明进一步提供了去除水中硝态氮的方法。该去除水中硝态氮的方法将上述的硝态氮吸附剂或由上述制备方法制备得到的硝态氮吸附剂放入水中对硝态氮进行吸附。
下面结合附图和具体实施方式对本说明书提供的发明创造的实施例做进一步的说明.本说明书提供的发明创造的实施例附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本说明书提供的发明创造的实施例的实践了解到。
附图说明
构成本说明书提供的发明创造的实施例的一部分的附图用来辅助对本说明书提供的发明创造的实施例的理解，附图中所提供的内容及其在本说明书提供的发明创造的实施例中有关的说明可用于解释本说明书提供的发明创造的实施例，但不构成对本说明书提供的发明创造的实施例的不当限定。在附图中：
图1为实施例1的硝态氮吸附剂的吸附量随硝酸钾初始浓度变化曲线。
图2为实施例1的硝态氮吸附剂及市售活性炭的氮气吸脱附曲线。
图3为实施例1的硝态氮吸附剂及市售活性炭的孔径分布曲线。
图4为实施例1的硝态氮吸附剂及市售活性炭的X射线衍射图谱。
具体实施方式
下面结合附图对本说明书提供的发明创造的实施例进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本说明书提供的发明创造的实施例。在结合附图对本说明书提供的发明创造的实施例进行说明前，需要特别指出的是：
本说明书提供的发明创造的实施例中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案、技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案、技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本说明书提供的发明创造的实施例的实施例通常仅是本说明书提供的发明创造的实施例的一分部实施例而不是全部实施例，因此，基于本说明书提供的发明创造的实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书提供的发明创造的实施例保护的范围。
关于本说明书提供的发明创造的实施例中术语和单位：本说明书提供的发明创造的实施例的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。此外，本说明书提供的发明创造的实施例中的其他相关术语和单位，均可基于本说明书提供的发明创造的实施例相关内容得到合理的解释。
本说明书提供的硝态氮吸附剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)对竹材进行炭化和制粉，得到炭化料；
首先将新鲜楠竹切割成长3～6cm、宽1～2cm的小块，在120～150℃条件下烘干；然后在550～700℃温度下进行炭化，炭化时间60～120分钟；将煅烧后的竹炭破碎至2.5～5mm，得到炭化料。
(2)对炭化料进行活化处理，得到活化料；
将炭化料装入转炉并采用水蒸气进行物理活化，水炭比为0.3～0.45mL/g，活化温度为700～900℃，活化时间为90～180分钟，得到活化料。
(3)对活化料进行酸洗和水洗处理，获得多孔吸附基体；
首先，将活化料在质量分数为4～7％的盐酸中浸泡6～10小时，然后用纯水洗涤至中性，干燥即得到多孔吸附基体。
(4)在多孔吸附基体的孔隙表面附着铝离子，得到吸附剂前驱体；
将多孔吸附基体放入氯化铝溶液或硝酸铝溶液中并持续地搅拌，振荡器速度为120～160转/分钟，时间为20～25小时；然后固液分离、洗涤、干燥，即将铝离子附着于多孔吸附基体上，得到吸附剂前驱体。
(5)对吸附剂前驱体进行煅烧处理，得到硝态氮吸附剂；
将吸附剂前驱体在80～100℃下煅烧8～12小时，即得到硝态氮吸附剂。
下面通过多个实验例进一步说明硝态氮吸附剂及其制备方法和应用。
实施例1
将新鲜楠竹切割成长3～6cm、宽1～2cm的小块，在130℃条件下烘干；然后在550℃温度下进行炭化60分钟；将煅烧后的竹炭破碎至2.5～5mm，得到炭化料；将300g炭化料装入转炉并采用水蒸气进行物理活化，水炭比为0.4mL/g，活化温度为850℃，活化时间为120分钟，得到活化料；将10g活化料在质量分数为5％的50mL盐酸中浸泡8小时，然后用纯水洗涤至中性，干燥即得到多孔吸附基体；将10g多孔吸附基体放入摩尔浓度为0.1mol/L的100mL氯化铝溶液中并持续地搅拌24小时，振荡器速度为140转/分钟，然后固液分离、洗涤、干燥，即将铝离子附着于多孔吸附基体上，得到吸附剂前驱体；将吸附剂前驱体在100℃下煅烧10小时，即得到硝态氮吸附剂。
实施例2
将新鲜楠竹切割成长3～6cm、宽1～2cm的小块，在130℃条件下烘干；然后在550℃温度下进行炭化60分钟；将煅烧后的竹炭破碎至2.5～5mm，得到炭化料；将300g炭化料装入转炉并采用水蒸气进行物理活化，水炭比为0.4mL/g，活化温度为750℃，活化时间为120分钟，得到活化料；将10g活化料在质量分数为5％的50mL盐酸中浸泡8小时，然后用纯水洗涤至中性，干燥即得到多孔吸附基体；将10g多孔吸附基体放入摩尔浓度为0.1mol/L的100mL氯化铝溶液中并持续地搅拌24小时，振荡器速度为140转/分钟，然后固液分离、洗涤、干燥，即将铝离子附着于多孔吸附基体上，得到吸附剂前驱体；将吸附剂前驱体在100℃下煅烧10小时，即得到硝态氮吸附剂。
实施例3
将新鲜楠竹切割成长3～6cm、宽1～2cm的小块，在130℃条件下烘干；然后在550℃温度下进行炭化60分钟；将煅烧后的竹炭破碎至2.5～5mm，得到炭化料；将300g炭化料装入转炉并采用水蒸气进行物理活化，水炭比为0.4mL/g，活化温度为800℃，活化时间为120分钟，得到活化料；将10g活化料在质量分数为5％的50mL盐酸中浸泡8小时，然后用纯水洗涤至中性，干燥即得到多孔吸附基体；将10g多孔吸附基体放入摩尔浓度为0.1mol/L的100mL氯化铝溶液中并持续地搅拌24小时，振荡器速度为140转/分钟，然后固液分离、洗涤、干燥，即将铝离子附着于多孔吸附基体上，得到吸附剂前驱体；将吸附剂前驱体在100℃下煅烧10小时，即得到硝态氮吸附剂。
实施例4
将新鲜楠竹切割成长3～6cm、宽1～2cm的小块，在130℃条件下烘干；然后在550℃温度下进行炭化60分钟；将煅烧后的竹炭破碎至2.5～5mm，得到炭化料；将300g炭化料装入转炉并采用水蒸气进行物理活化，水炭比为0.4mL/g，活化温度为850℃，活化时间为120分钟，得到活化料；将10g活化料在质量分数为5％的50mL盐酸中浸泡8小时，然后用纯水洗涤至中性，干燥即得到多孔吸附基体；将10g多孔吸附基体放入摩尔浓度为0.1mol/L的80mL氯化铝溶液中并持续地搅拌24小时，振荡器速度为140转/分钟，然后固液分离、洗涤、干燥，即将铝离子附着于多孔吸附基体上，得到吸附剂前驱体；将吸附剂前驱体在100℃下煅烧10小时，即得到硝态氮吸附剂。
实施例5
将新鲜楠竹切割成长3～6cm、宽1～2cm的小块，在130℃条件下烘干；然后在550℃温度下进行炭化60分钟；将煅烧后的竹炭破碎至2.5～5mm，得到炭化料；将300g炭化料装入转炉并采用水蒸气进行物理活化，水炭比为0.4mL/g，活化温度为850℃，活化时间为120分钟，得到活化料；将10g活化料在质量分数为5％的50mL盐酸中浸泡8小时，然后用纯水洗涤至中性，干燥即得到多孔吸附基体；将10g多孔吸附基体放入摩尔浓度为0.1mol/L的110mL氯化铝溶液中并持续地搅拌24小时，振荡器速度为140转/分钟，然后固液分离、洗涤、干燥，即将铝离子附着于多孔吸附基体上，得到吸附剂前驱体；将吸附剂前驱体在100℃下煅烧10小时，即得到硝态氮吸附剂。
实施例6
将新鲜楠竹切割成长3～6cm、宽1～2cm的小块，在130℃条件下烘干；然后在550℃温度下进行炭化60分钟；将煅烧后的竹炭破碎至2.5～5mm，得到炭化料；将300g炭化料装入转炉并采用水蒸气进行物理活化，水炭比为0.3mL/g，活化温度为850℃，活化时间为120分钟，得到活化料；将10g活化料在质量分数为5％的50mL盐酸中浸泡8小时，然后用纯水洗涤至中性，干燥即得到多孔吸附基体；将10g多孔吸附基体放入摩尔浓度为0.1mol/L的100mL氯化铝溶液中并持续地搅拌24小时，振荡器速度为140转/分钟，然后固液分离、洗涤、干燥，即将铝离子附着于多孔吸附基体上，得到吸附剂前驱体；将吸附剂前驱体在100℃下煅烧10小时，即得到硝态氮吸附剂。
实施例7
将新鲜楠竹切割成长3～6cm、宽1～2cm的小块，在130℃条件下烘干；然后在550℃温度下进行炭化60分钟；将煅烧后的竹炭破碎至2.5～5mm，得到炭化料；将300g炭化料装入转炉并采用水蒸气进行物理活化，水炭比为0.45mL/g，活化温度为850℃，活化时间为120分钟，得到活化料；将10g活化料在质量分数为5％的50mL盐酸中浸泡8小时，然后用纯水洗涤至中性，干燥即得到多孔吸附基体；将10g多孔吸附基体放入摩尔浓度为0.1mol/L的100mL氯化铝溶液中并持续地搅拌24小时，振荡器速度为140转/分钟，然后固液分离、洗涤、干燥，即将铝离子附着于多孔吸附基体上，得到吸附剂前驱体；将吸附剂前驱体在100℃下煅烧10小时，即得到硝态氮吸附剂。
实施例8
将新鲜楠竹切割成长3～6cm、宽1～2cm的小块，在130℃条件下烘干；然后在550℃温度下进行炭化60分钟；将煅烧后的竹炭破碎至2.5～5mm，得到炭化料；将300g炭化料装入转炉并采用水蒸气进行物理活化，水炭比为0.4mL/g，活化温度为850℃，活化时间为100分钟，得到活化料；将10g活化料在质量分数为5％的50mL盐酸中浸泡8小时，然后用纯水洗涤至中性，干燥即得到多孔吸附基体；将10g多孔吸附基体放入摩尔浓度为0.1mol/L的100mL氯化铝溶液中并持续地搅拌24小时，振荡器速度为140转/分钟，然后固液分离、洗涤、干燥，即将铝离子附着于多孔吸附基体上，得到吸附剂前驱体；将吸附剂前驱体在100℃下煅烧10小时，即得到硝态氮吸附剂。
实施例9
将新鲜楠竹切割成长3～6cm、宽1～2cm的小块，在130℃条件下烘干；然后在550℃温度下进行炭化60分钟；将煅烧后的竹炭破碎至2.5～5mm，得到炭化料；将300g炭化料装入转炉并采用水蒸气进行物理活化，水炭比为0.4mL/g，活化温度为850℃，活化时间为150分钟，得到活化料；将10g活化料在质量分数为5％的50mL盐酸中浸泡8小时，然后用纯水洗涤至中性，干燥即得到多孔吸附基体；将10g多孔吸附基体放入摩尔浓度为0.1mol/L的100mL氯化铝溶液中并持续地搅拌24小时，振荡器速度为140转/分钟，然后固液分离、洗涤、干燥，即将铝离子附着于多孔吸附基体上，得到吸附剂前驱体；将吸附剂前驱体在100℃下煅烧10小时，即得到硝态氮吸附剂。
实施例10
将新鲜楠竹切割成长3～6cm、宽1～2cm的小块，在130℃条件下烘干；然后在550℃温度下进行炭化60分钟；将煅烧后的竹炭破碎至2.5～5mm，得到炭化料；将300g炭化料装入转炉并采用水蒸气进行物理活化，水炭比为0.4mL/g，活化温度为850℃，活化时间为120分钟，得到活化料；将10g活化料在质量分数为5％的50mL盐酸中浸泡8小时，然后用纯水洗涤至中性，干燥即得到多孔吸附基体；将10g多孔吸附基体放入摩尔浓度为0.1mol/L的100mL氯化铝溶液中并持续地搅拌24小时，振荡器速度为140转/分钟，然后固液分离、洗涤、干燥，即将铝离子附着于多孔吸附基体上，得到吸附剂前驱体；将吸附剂前驱体在80℃下煅烧10小时，即得到硝态氮吸附剂。
实施例11
将新鲜楠竹切割成长3～6cm、宽1～2cm的小块，在130℃条件下烘干；然后在550℃温度下进行炭化60分钟；将煅烧后的竹炭破碎至2.5～5mm，得到炭化料；将300g炭化料装入转炉并采用水蒸气进行物理活化，水炭比为0.4mL/g，活化温度为850℃，活化时间为120分钟，得到活化料；将10g活化料在质量分数为5％的50mL盐酸中浸泡8小时，然后用纯水洗涤至中性，干燥即得到多孔吸附基体；将10g多孔吸附基体放入摩尔浓度为0.1mol/L的100mL硝酸铝溶液中并持续地搅拌24小时，振荡器速度为140转/分钟，然后固液分离、洗涤、干燥，即将铝离子附着于多孔吸附基体上，得到吸附剂前驱体；将吸附剂前驱体在100℃下煅烧10小时，即得到硝态氮吸附剂。
对照例
将粒度为6～18目的煤质炭在550℃温度下进行炭化60分钟；将煅烧后的竹炭破碎至2.5～5mm，得到炭化料；将300g炭化料装入转炉并采用水蒸气进行物理活化，水炭比为0.4mL/g，活化温度为850℃，活化时间为120分钟，得到活化料；将10g活化料在质量分数为5％的50mL盐酸中浸泡8小时，然后用纯水洗涤至中性，干燥即得到多孔吸附基体；将10g多孔吸附基体放入摩尔浓度为0.1mol/L的100mL氯化铝溶液中并持续地搅拌24小时，振荡器速度为140转/分钟，然后固液分离、洗涤、干燥，即将铝离子附着于多孔吸附基体上，得到吸附剂前驱体；将吸附剂前驱体在100℃下煅烧10小时，即得到硝态氮吸附剂。
实施例1-11及对照例的硝态氮吸附剂的吸附性能测试及结果如下：
配置一定质量浓度的硝酸钾溶液；首先将实施例1-11及对照例的硝态氮吸附剂称取2g并分别放入100mL浓度为25mg/L的硝酸钾溶液中，在160rpm的转速下吸附2h，吸附完成后过滤，然后采用紫外分光光度计测试过滤液的硝酸钾浓度，并计算硝酸钾的去除率和吸附量。
实施例1-11及对照例的硝态氮的吸附性能测试结果如表1所示。
编号 吸附后浓度(mg/L) 去除率(％) 多孔吸附基体与静电吸附层的质量比
实施例1 1.6610 93.36％ 19.61
实施例2 3.2993 86.80％ 19.61
实施例3 2.2670 90.93％ 19.61
实施例4 4.2709 82.92％ 24.51
实施例5 3.7648 84.94％ 17.82
实施例6 2.7366 89.05％ 19.61
实施例7 2.3769 90.49％ 19.61
实施例8 4.1899 83.24％ 19.61
实施例9 2.1547 91.38％ 19.61
实施例10 1.9874 92.05％ 19.61
实施例11 1.7724 92.91％ 19.61
对照例 5.3436 78.63％ 19.61
从表1可以看出，实施例1-11均表现出优异的硝态氮去除率，仅仅吸附2h就能保持82％以上的去除率，且吸附后的硝酸钾浓度均远远小于10mg/L(《生活饮用水卫生标准》(GB/T 5750.5-2006)规定出口浓度低于10mg/L)。并且，与对照例相对比可以发现，以楠竹为原料制备的硝态氮吸附剂具有明显更高的去除率。由此可见，基于楠竹对人体无毒及环保的优点，所制备得到的硝态氮吸附剂非常适合于水处理。
进一步地，分别再称取2g实施例1和实施例4的硝态氮吸附剂并分别放入100mL浓度为10mg/L的硝酸钾溶液中，然后在上述条件下测试去除率。
测试发现，实施例1的硝态氮吸附剂的去除率为91.53％，实施例4的硝态氮吸附剂的去除率为80.67％。可见，本发明的硝态氮吸附剂对低浓度的硝态氮溶液仍具有优异的去除率。
进一步地，称取6份质量均为0.1g的实施例1的硝态氮吸附剂并分别放入50mL浓度分别为10mg/L、25mg/L、50mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L的硝酸钾溶液中，然后在上述条件下测试吸附量。
图1为实施例1的硝态氮吸附剂的吸附量随硝酸钾初始浓度变化曲线。从图1可以看出，当硝态氮吸附剂的投加量为0.1g/50mL时，实施例1的硝态氮吸附剂的最大吸附容量可达7.19mg/g，说硝态氮吸附剂在低用量情况下，仍具备高性能，有效降低应用成本。
进一步地，测试了实施例1和实施例4的硝态氮吸附剂的氮气吸脱附曲线，并使用Brunauer-Emmett-Teller(BET)和Barrett-Joyner-Halenda(BJH)方法计算孔隙性质。
图2为实施例1的硝态氮吸附剂及市售活性炭的氮气吸脱附曲线，横坐标为P/P0，纵坐标为N2吸附量。从图2可以看出，等温线都属于Ⅰ型等温线，说明硝态氮吸附剂中微孔孔容占总孔容比例高。
图3为实施例1的硝态氮吸附剂及市售活性炭的孔径分布曲线，横坐标为孔径，纵坐标为孔径分布。从图3可以看出，实施例1的硝态氮吸附剂具有更为发达的微孔。
表1为实施例1、实施例4的硝态氮吸附剂及市售活性炭的孔隙性质数据。从表1可以看出，实施例1和实施例4的平均孔径约为0.55nm，属于微孔范围；实施例1和实施例4的的硝态氮吸附剂的微孔孔容以及微孔比表面积均高于市售活性炭，并且微孔孔容≥0.353cm3/g，微孔孔容占总孔容的65.47％以上，微孔表面积≥932.406m2/g，且微孔比表面积占BET比表面积的82.33％以上，由此可见，实施例1和实施例4的硝态氮吸附剂具有比市售活性炭更为发达的微孔孔隙。研究表明，吸附过程中微孔吸附发挥主要作用，其次是介孔吸附，最后是大孔吸附。
表1
Figure BDA0002802587280000101
图4为实施例1的硝态氮吸附剂及市售活性炭的X射线衍射(XRD)图谱，横坐标为2θ，纵坐标为强度。从图4可以看出，实施例1的硝态氮吸附剂的具有氧化铝的标准XRD衍射特征峰，说明氧化铝成功地负载在多孔吸附基体上。
进一步地，测试了实施例1的硝态氮吸附剂寿命，测试过程如下：将2g硝态氮吸附剂放入100mL浓度为10mg/L的硝酸钾溶液中，然后在上述条件下测试去除率；然后进行过滤和洗涤以去除已吸附的硝酸钾，干燥备用；然后放入新的硝酸钾溶液中重新进行吸附；如此重复20次。
经验证，第20次吸附后的去除率为73.88％，说明硝态氮吸附剂稳定性好，能够重复使用，寿命长。
在上述实施例中：
去除率＝(吸附前浓度-吸附后浓度)/吸附前浓度
吸附量＝(吸附前浓度-吸附后浓度)*硝酸钾体积/硝态氮吸附剂使用量
以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.多孔炭基材料，其特征在于：包括
多孔吸附基体，所述多孔吸附基体主要由多孔活性炭构成；以及
静电吸附层，所述静电吸附层附着于所述吸附基体的孔隙表面。
2.如权利要求1所述的多孔炭基材料，其特征在于：所述多孔活性炭为生物质活性炭，优选为竹质活性炭，进一步优选为楠竹活性炭；所述静电吸附层主要由氧化铝构成。
3.如权利要求2所述的多孔炭基材料，其特征在于：所述多孔吸附基体与静电吸附层的质量比为17～46。
4.如权利要求1所述的多孔炭基材料，其特征在于：微孔孔容≥0.353cm3/g，且微孔孔容占总孔容的65.47％以上；并且/或者，微孔表面积≥932.406m2/g，且微孔比表面积占BET比表面积的82.33％以上。
5.硝态氮吸附剂，其特征在于：主要由权利要求1-4之一所述的多孔炭基材料构成。
6.如权利要求5所述的硝态氮吸附剂，其特征在于：粒度为2.5～5mm；对硝酸钾的最大吸附量为7.19mg/g。
7.如权利要求5所述的硝态氮吸附剂，其特征在于：对浓度为25mg/L的硝酸钾溶液的去除率≥82.92％；对浓度为10mg/L的硝酸钾溶液的去除率≥80.67％。
8.硝态氮吸附剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)对竹材进行炭化和制粉，得到炭化料；
(2)对炭化料进行活化处理，得到活化料；
(3)对活化料进行酸洗和水洗处理，获得多孔吸附基体；
(4)在多孔吸附基体的孔隙表面附着铝离子，得到吸附剂前驱体；
(5)对吸附剂前驱体进行煅烧处理，得到硝态氮吸附剂。
9.如权利要求8所述的硝态氮吸附剂的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中，炭化温度为550～700℃，时间为60～120分钟；
步骤(2)中，采用水蒸气进行活化，水蒸气与炭化料的质量比为0.3～0.45mL/g，活化温度为700～900℃，活化时间为90～180分钟；
步骤(3)中，采用质量分数为4～7％的盐酸进行酸洗，酸洗时间为6～10小时；
步骤(4)中，铝源为硝酸铝或氯化铝；
步骤(5)中，煅烧温度为80～100℃，时间为8～12小时。
10.去除水中硝态氮的方法，其特征在于：将权利要求5-7所述的硝态氮吸附剂或由权利要求8或9所述的制备方法制备得到的硝态氮吸附剂放入水中对硝态氮进行吸附。
CN202011355999.3A 2020-11-27 2020-11-27 多孔炭基材料、硝态氮吸附剂及其制备方法和应用 Pending CN112774624A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011355999.3A CN112774624A (zh) 2020-11-27 2020-11-27 多孔炭基材料、硝态氮吸附剂及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011355999.3A CN112774624A (zh) 2020-11-27 2020-11-27 多孔炭基材料、硝态氮吸附剂及其制备方法和应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112774624A true CN112774624A (zh) 2021-05-11

Family

ID=75750613

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011355999.3A Pending CN112774624A (zh) 2020-11-27 2020-11-27 多孔炭基材料、硝态氮吸附剂及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112774624A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117244525A (zh) * 2023-11-16 2023-12-19 成都达奇科技股份有限公司 高甲醛吸附率的改性活性炭及其制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060249449A1 (en) * 2005-05-03 2006-11-09 University Of Western Ontario Treatment of wastewater containing phosphorous and nitrogen
CN102275915A (zh) * 2011-05-30 2011-12-14 大连理工大学 一种高比表面积分等级多孔活性炭材料的制备方法
CN104016343A (zh) * 2013-02-28 2014-09-03 中国科学院理化技术研究所 一种高比表面积微孔竹纤维基活性炭纤维的制备方法
CN105664874A (zh) * 2016-04-10 2016-06-15 武汉沃特工程技术有限公司 一种去除溶液中硝酸盐氮的生物炭吸附剂及其制备方法
CN111001388A (zh) * 2019-12-30 2020-04-14 中国科学院城市环境研究所 一种竹基生物炭除磷吸附剂的制备方法及其应用
CN111974348A (zh) * 2020-07-23 2020-11-24 江苏大学 铜铝双金属氧化物改性竹炭纤维复合材料的制备及其去除水中氨氮的应用

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060249449A1 (en) * 2005-05-03 2006-11-09 University Of Western Ontario Treatment of wastewater containing phosphorous and nitrogen
CN102275915A (zh) * 2011-05-30 2011-12-14 大连理工大学 一种高比表面积分等级多孔活性炭材料的制备方法
CN104016343A (zh) * 2013-02-28 2014-09-03 中国科学院理化技术研究所 一种高比表面积微孔竹纤维基活性炭纤维的制备方法
CN105664874A (zh) * 2016-04-10 2016-06-15 武汉沃特工程技术有限公司 一种去除溶液中硝酸盐氮的生物炭吸附剂及其制备方法
CN111001388A (zh) * 2019-12-30 2020-04-14 中国科学院城市环境研究所 一种竹基生物炭除磷吸附剂的制备方法及其应用
CN111974348A (zh) * 2020-07-23 2020-11-24 江苏大学 铜铝双金属氧化物改性竹炭纤维复合材料的制备及其去除水中氨氮的应用

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HANYANG YONG ET AL.: "Enhanced removal of NO3-N from water using Fe-Al modified biochar: behavior and mechanism", 《WATER SCIENCE & TECHNOLOGY》 *
QIANQIAN YIN ET AL.: "Application of Mg–Al-modified biochar for simultaneous removal of ammonium, nitrate, and phosphate from eutrophic water", 《JOURNAL OF CLEANER PRODUCTION》 *
QIANQIAN YIN ET AL.: "Evaluation of nitrate and phosphate adsorption on Al-modified biochar: Influence of Al content", 《SCIENCE OF THE TOTAL ENVIRONMENT》 *
YING YAO ET AL.: "Effect of biochar amendment on sorption and leaching of nitrate, ammonium, and phosphate in a sandy soil", 《CHEMOSPHERE》 *
YULIN ZHENG ET AL.: "Comparative investigation of characteristics and phosphate removal by engineered biochars with different loadings of magnesium, aluminum, or iron", 《SCIENCE OF THE TOTAL ENVIRONMENT》 *
宁平等: "《生物质活性炭催化剂的制备及脱硫应用》", 31 January 2020, 北京：冶金工业出版社 *
康四军: "改性烟末生物质吸附剂的制备及去除废水中硝酸根的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》 *
陈靖: "Fe/Mg改性生物炭去除水中氮磷的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117244525A (zh) * 2023-11-16 2023-12-19 成都达奇科技股份有限公司 高甲醛吸附率的改性活性炭及其制备方法
CN117244525B (zh) * 2023-11-16 2024-04-30 成都达奇科技股份有限公司 高甲醛吸附率的改性活性炭及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111135790B (zh) 一种除磷复合吸附剂及其制备方法和在污水处理中的应用
CN101007261B (zh) 一种沸石吸附剂及其制备方法
CN111085170B (zh) 一种生物炭吸附材料及其应用
CN111807453A (zh) 一种用于吸附水体中磷的改性生物炭及其制备方法和应用
CN108905999B (zh) 一种新型生物炭复合凝胶及其制备方法和用途
CN100560484C (zh) 吸附汽油蒸汽专用活性炭及其制备方法
CN109110742B (zh) 利用锰化合物制备的中孔炭及制备方法
CN113559824B (zh) 处理染料废水用氮掺杂多孔碳材料吸附剂及其制法与应用
CN111151221A (zh) 一种超快去除水体中重金属的大孔生物炭基杂化材料及其制备方法与应用
CN112156752A (zh) 吸附性可再生的改性活性炭及其在废水处理中的应用
CN105056884A (zh) 一种用于饮用水净化的活性炭材料的制备方法
CN109678249A (zh) 一种生态浮岛除磷复合基质及其制备方法
CN110683540A (zh) 富氮多级孔生物质炭及其应用
CN103084155A (zh) 一种微波辅助再生活性炭的方法
CN107814385A (zh) 一种利用生物质焦处理工业废水并制备石墨型多孔碳材料的方法
CN111039658A (zh) 一种除磷陶粒及其制备方法
CN113042109A (zh) 一种臭氧催化剂载体及其制备方法
CN112774624A (zh) 多孔炭基材料、硝态氮吸附剂及其制备方法和应用
CN111377526B (zh) 一种有机废水的处理方法
CN110201661A (zh) 一种多孔阵列结构的锰基生物炭及其制备方法和应用
CN113231011A (zh) 黄芪废渣制备吸附材料的方法及其应用
CN109133195B (zh) 一种双金属氧化物掺杂生物质多孔碳材料及其制备方法和在染料吸附方面的应用
CN112007694A (zh) 一种包埋型催化剂及其制备方法和在废水脱氮中的应用
CN107986557B (zh) 一种同步去除农业径流氮磷的耦合生物处理工艺
Thomas et al. A comparative study on the efficiency of KOH and H3PO4 impregnated jackfruit leaf based carbon as adsorbent for removal of Cr (VI) from its aqueous solution

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20220722

Address after: 610000 room 3502, 35 / F, unit 1, building 1, No. 89 Cuihua Road, No. 99 Jitai 1st Street, No. 108 Shenghua Road, high tech Zone, Chengdu, Sichuan

Applicant after: CHENGDU DAQI ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY CO.,LTD.

Address before: 610000 within the third phase of Industrial Development Zone of Southwest Airport Economic Development Zone, Shuangliu District, Chengdu City, Sichuan Province

Applicant before: Chengdu Daqi Nengzi Technology Co.,Ltd.

TA01 Transfer of patent application right