CN113856622A - 一种高锰酸钾改性桉木生物炭吸附剂的制备方法及应用 - Google Patents

一种高锰酸钾改性桉木生物炭吸附剂的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高锰酸钾改性桉木生物炭的制备方法及应用。将桉木用刀切碎、清洗、干燥、粉碎过60目筛、炭化、研磨过200目筛、洗涤、离心、干燥得到桉木炭；取2g桉木炭置于100mL烧杯中，取50mL 0.1mol/L的高锰酸钾溶液倒入桉木炭中，混合后置于磁力搅拌器并在50℃下以500r/min搅拌12h，然后用去离子水洗涤数次，将洗涤好的材料放入60℃烘箱内12h，烘干后即得到高锰酸钾改性的桉木生物炭。本发明利用桉木作为原料，材料充足、制备方法简单、成本低廉；采用热解制备生物炭，高锰酸钾浸渍改性，工艺流程简单，条件易行；负载锰基后的复合生物炭能够通过静电吸附、氢键、络合和氧化还原作用，大大增强对水溶液中Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)的吸附能力。

Description

一种高锰酸钾改性桉木生物炭吸附剂的制备方法及应用
技术领域
本发明属于环境净化技术和制备改性生物炭技术领域，涉及一种高锰酸钾改性桉木生物炭吸附剂的制备方法及应用，利用废弃桉木为主要材料，研究了高锰酸钾改性桉木生物炭炭吸附剂的制备方法及其对铅和镉的吸附应用。
背景技术
随着工业活动的快速发展，大量含有重金属的工业废水被排放到环境中，由于其不可生物降解的特性和潜在的致癌性，引起了严重的环境问题。其中，工业废水中含有的铅和镉是两种毒性很强的重金属污染物，其进入生态系统后，难以自行降解，并可以通过食物链逐步积累和传递，最终对人体和动植物产生严重危害。为了降解水体中的重金属，研究人员一直在开发和完善水处理技术。而不同的水处理技术在处理效果和处理成本上存在很大的差异，寻找经济有效的方法一直是研究热点。吸附法因为处理效果好，操作方便，处理成本低在水处理领域一直被广泛使用。生物炭作为一种良好的吸附材料，通过农林废弃物等材料的简单热解即可制备，具有原料来源广泛，使用成本低廉的优势。此外，生物炭作为吸附材料还具有很强的离子交换能力，丰富的表面官能团，良好的孔结构。但是，生物炭在吸附过程中存在对重金属离子的吸附能力有限，对重金属的选择吸附性能差，难以分离与回收的问题。但是，生物炭经过改性后可以明显改善生物炭对重金属的吸附性能，因而寻找经济、高效、简单的生物炭改性方法一直是研究的热点。
桉树是一种生长周期短，成材快的树种，在造纸和木材加工领域有着广泛应用，具有很好的经济价值。桉树作为高大乔木，富含纤维素、半纤维素和木质素，经过热解后得到的桉树生物炭有着良好孔结构和丰富表面官能团，是一种理想的吸附材料。桉树在广西当地大量种植，来源广泛，因而在生物炭制备中有很大的潜在价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用锰氧化物一步完成改性的桉木生物炭吸附剂的制备方法，解决未改性生物炭对重金属离子吸附性能低、选择性差、难以分离与回收等问题。将生物炭和锰氧化物相结合，一方面可以避免金属氧化物在水中的易于团聚的问题，另一方面可以解决生物炭吸附量低的问题。探索制备改性生物炭的新途径，在高效吸附重金属的同时，保证最佳经济效益和环境效益。本发明主要利用高锰酸钾通过浸渍、热解的方式负载到桉木生物炭上，制备MnOx-桉木生物炭的方法，整个过程操作简单、能耗低、成本低，制备出来的改性生物炭对铅镉具有良好的吸附性能，可作为一种很好的吸附剂。
具体步骤为：
(1)将桉木用刀切成薄片，用去离子水清洗去掉残渣，放于烘箱内干燥后，置于粉碎机中粉碎并过60目筛，得到桉木粉末。
(2)将步骤(1)中得到的桉木粉取10g置于50mL坩埚内，置于马弗炉中，在600℃～700℃条件下热解2～3h，升温速率为5℃/min。
(3)将步骤(2)中得产物冷却至室温，置于玛瑙研钵体内进行研磨并过200目筛，得到热解桉木生物炭。
(4)将步骤(3)中得到的桉木生物炭采用去离子水洗涤，并置于100mL的离心管中进行固液分离，倒掉上清液，重复以上操作，直到滤液的pH值在中性稳定，过滤。
(5)将步骤(4)所得产物置于培养皿中，放在60℃～80℃的烘箱中烘10～12h，获得桉木生物炭。
(6)将步骤(5)中得到的桉木生物炭取2g置于100mL烧杯中，加入50mL0.1mol/L的高锰酸钾溶液，充分混合后置于磁力搅拌器并在50℃～60℃下以500r/min搅拌10～12h。
(7)将步骤(6)所得产物进行自然冷却，采用去离子水洗涤，并置于100mL的离心管中进行固液分离，倒掉上清液，重复以上操作，直到滤液的pH值在中性稳定，过滤。
(8)将步骤(7)所得产物置于培养皿中，放在60℃～80℃的烘箱中烘10～12h，获得高锰酸钾改性的桉木生物炭。
(9)上述制得的高锰酸钾改性桉木生物炭吸附剂应用于对水溶液中Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附去除。
本发明利用桉木作为主要原材料，降低了生产成本；采用热解制备生物炭，再进行高锰酸钾浸渍改性，工艺流程简单，条件易行；负载锰基后的复合桉木生物炭炭相较于原始生物炭炭，能够通过静电吸附、氢键作用、络合作用和氧化还原作用，大大增强对水溶液中Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附能力；所制备吸附剂可广泛应用于工矿企业含Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)废水的处理工序。
附图说明
图1为本发明实施例制得的改性前后桉木生物炭SEM对比图谱。
图2为本发明实施例制得的改性和吸附前后桉木生物炭吸附剂的FT-IR对比图谱。
图3为本发明实施例制得的改性和吸附前后桉木生物炭吸附剂的XPS对比图谱。
图4为本发明实施例制得的改性和吸附前后桉木生物炭吸附剂的XRD对比图谱。
具体实施方式
实施例：
(1)将桉木用刀切成薄片，用去离子水清洗去掉残渣，放于烘箱内干燥后，置于粉碎机中粉碎并过60目筛，得到桉木粉末。
(2)将步骤(1)中得到的桉木粉取10g置于50mL坩埚内，置于马弗炉中，在600℃条件下热解2h，升温速率为5℃/min。
(3)将步骤(2)中得产物冷却至室温，置于玛瑙研钵体内进行研磨并过200目筛，得到热解桉木生物炭。
(4)将步骤(3)中得到的桉木生物炭采用去离子水洗涤，并置于100mL的离心管中进行固液分离，倒掉上清液，重复以上操作，直到滤液的pH值在中性稳定，过滤。
(5)将步骤(4)所得产物置于培养皿中，放在60℃的烘箱中烘12h，获得桉木生物炭。
(6)将步骤(5)中得到的桉木生物炭取2g置于100mL烧杯中，加入50mL0.1mol/L的高锰酸钾溶液，充分混合后置于磁力搅拌器并在50℃下以500r/min搅拌12h。
(7)将步骤(6)所得产物进行自然冷却，采用去离子水洗涤，并置于100mL的离心管中进行固液分离，倒掉上清液，重复以上操作，直到滤液的pH值在中性稳定，过滤。
(8)将步骤(7)所得产物置于培养皿中，放在60℃的烘箱中烘12h，获得高锰酸钾改性的桉木生物炭。
(9)上述制得的高锰酸钾改性桉木生物炭吸附剂应用于对水溶液中Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附去除。
(10)称取一定量本实施例制得的改性前后的桉木生物炭于100mL聚氯乙烯离心管内，采用50mL移液管向离心管中加入50mL、一定浓度、一定pH的Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)溶液，置于恒温水浴振荡器内，在一定温度、200r/min转速条件下振荡混合一定时间后，取出离心管，用10mL不带针头的注射器抽取10mL上清液，在注射器上装0.45μm滤膜过滤，每组实验设置三个平行样，采用ICP-AES测量Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)的浓度，实验结果取三组数据的平均值。
采用新型热场发射扫描电镜(SEM，SU5000，日本日立)分析高锰酸钾改性桉木生物炭炭吸附剂的表面形貌，结果见图1；采用傅里叶红外光谱分析仪(FTIR，470FTIR，美国热电尼高力仪器公司)对所得产物样品进行表面官能团测试，结果见图2；采用X射线光电子能谱分析(XPS，ESCALAB250Xi，美国热电公司)用于分析样品表面的元素组成信息，结果见图3；采用X射线衍射分析(XRD,X'Pert PRO，荷兰帕纳科公司)对所得产物样品进行晶体结构测试，结果见图4。

Claims (1)

1.一种高锰酸钾改性桉木生物炭吸附剂的制备方法及应用，其特征在于具体步骤为：
(1)将桉木用刀切成薄片，用去离子水清洗去掉残渣，放于烘箱内干燥后，置于粉碎机中粉碎并过60目筛，得到桉木粉末；
(2)将步骤(1)中得到的桉木粉取10g置于50mL坩埚内，置于马弗炉中，在600℃～700℃条件下热解2～3h，升温速率为5℃/min；
(3)将步骤(2)中得产物冷却至室温，置于玛瑙研钵体内进行研磨并过200目筛，得到热解桉木生物炭；
(4)将步骤(3)中得到的桉木生物炭采用去离子水洗涤，并置于100mL的离心管中进行固液分离，倒掉上清液，重复以上操作，直到滤液的pH值在中性稳定，过滤；
(5)将步骤(4)所得产物置于培养皿中，放在60℃～80℃的烘箱中烘10～12h，获得桉木生物炭；
(6)将步骤(5)中得到的桉木生物炭取2g置于100mL烧杯中，加入50mL0.1mol/L的高锰酸钾溶液，充分混合后置于磁力搅拌器并在50℃～60℃下以500r/min搅拌10～12h；
(7)将步骤(6)所得产物进行自然冷却，采用去离子水洗涤，并置于100mL的离心管中进行固液分离，倒掉上清液，重复以上操作，直到滤液的pH值在中性稳定，过滤；
(8)将步骤(7)所得产物置于培养皿中，放在60℃～80℃的烘箱中烘10～12h，获得高锰酸钾改性的桉木生物炭；
(9)上述制得的高锰酸钾改性桉木生物炭吸附剂应用于对水溶液中Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附去除。
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