CN114082404A - 一种基于槟榔废弃物生物炭材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于生物炭材料技术领域，提供了一种基于槟榔废弃物生物炭材料及其制备方法与应用，包括如下步骤：(1)槟榔果穗原材料的处理；(2)制备原始生物炭材料；(3)原始生物炭样品的改性与活化；(4)获得长方形目标生物炭材料。本发明中的基于槟榔废弃物生物炭材料及其制备方法与应用，操作简易，绿色经济，得到的目标生物炭依然保持宏观的三维结构和一定的机械强度，有利于实现生物炭从水环境中实现快速分离回收再利用，且得到的目标生物炭对去除水环境中的孔雀石绿效果显著，提高了对孔雀石绿废水的吸附净化效率，加大了对自然环境的保护力度。
Description
技术领域
本发明属于生物炭材料技术领域，尤其涉及一种基于槟榔废弃物生物炭材料及其制备方法与应用。
背景技术
以来源广泛的农业废弃物为原料，制备功能化生物炭，不仅为农业废弃资源高值化回收再利用提供新途径，还可以减少因废弃物的焚烧带来的环境污染问题。海南岛槟榔植物资源丰富，槟榔果穗是容易大量获得的槟榔产业主要废弃物之一。每年有大量的槟榔果穗被直丢弃或焚烧，由此造成有机质流失和环境污染等问题。目前，关于槟榔果穗再利用的相关研究未见报道。
孔雀石绿是一种有毒且可致癌的三苯甲烷类物质，可作为染料和水产杀菌剂被广泛使用。孔雀石绿染料废液处理不当，会直接危害水生动植物进而间接影响人类生命健康。研究如何经济有效地治理孔雀石绿废水已成为水环境治理领域的热点课题之一。生物炭具有比表面积大、吸附性能强、稳定性高和廉价易得等优势，可作为一种理想的吸附剂用于孔雀石绿废水处理。
通常，需要对原始生物炭进行改性和活化，旨在获得性能更佳的产物。目前，对原始生物炭改性和活化的多种方案中，都需要高温高压和强酸强碱，制备过程繁琐且消耗有毒化学试剂。同时，当前制备的生物炭绝大多数为粉末状，这明显不利于吸附后生物炭在水环境中的回收再利用，极大限制了生物炭在实际废水处理中的大规模应用。
因此，针对以上现状，迫切需要开发一种基于槟榔废弃物生物炭材料及其制备方法与应用，以克服当前实际应用中的不足。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于槟榔废弃物生物炭材料及其制备方法与应用，旨在解决生物炭制备过程繁琐且消耗有毒化学试剂，且当前的生物炭绝大多数为粉末状，不利于吸附后生物炭在水环境中的回收再利用的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种基于槟榔废弃物生物炭材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)槟榔果穗原材料的处理：采集槟榔果穗，将槟榔果穗烘干后进行粉碎，得到槟榔果穗粉末；
(2)制备原始生物炭材料：称量1.5g的槟榔粉末原材料倒入长方形的瓷舟内，并将瓷舟置于管式炉中，在氮气氛围中进行碳化处理，得到原始生物炭材料；
(3)原始生物炭样品的改性与活化：原始生物炭材料原始生物炭在温和的室温条件下，先经0.5M的氢氟酸溶液浸泡处理，再经10％的过氧化氢溶液浸泡处理，得到制作长方形生物炭样品；
(4)获得长方形目标生物炭材料：将制作长方形生物炭样品放入烘箱内进行烘烤，得到目标生物炭材料。
进一步的技术方案，在步骤(1)中，所述槟榔果穗烘干温度设置为80℃，且所述槟榔果穗粉碎后经100目的筛网进行筛选。
进一步的技术方案，在步骤(2)中，所述管式炉内的氮气含量为99.5％，先将管式炉加热至100℃并保持1h后，再将管式炉以5℃/min的速率加热至700℃，对槟榔粉末原材料进行碳化处理，得到原始生物炭材料。
进一步的技术方案，所述原始生物炭材料是一种具有宏观三维结构且具备机械强度的原始生物炭材料，所述原始生物炭材料每块为约0.5g。
进一步的技术方案，在步骤(3)中，原始生物炭材料在0.5M的氢氟酸溶液内浸泡时间为1h，在10％的过氧化氢溶液内浸泡时间为2h。
进一步的技术方案，所述0.5M的氢氟酸溶液和10％的过氧化氢溶液的浸泡容量均为20ml。
进一步的技术方案，在步骤(4)中，烘箱的烘烤温度设置为80℃，且所述长方形生物炭样品烘烤时间为2h。
进一步的技术方案，所述目标生物炭材料是一种具有宏观三维结构且具备机械强度的目标生物炭材料。
一种基于槟榔废弃物生物炭材料，采用所述的基于槟榔废弃物生物炭材料的制备方法制备得到。
进一步的技术方案，所述的基于槟榔废弃物生物炭材料在孔雀石绿废水进行净化处理的应用。
本发明提供根据上述制备方法制备得到的基于槟榔废弃物的生物炭材料。
本发明还提供所述基于槟榔废弃物生物炭材料的应用，槟榔废弃物生物炭材料用于对孔雀石绿废水进行净化处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
与现有制备生物炭方法相比，该方法操作简易，绿色经济，得到的目标生物炭依然保持宏观的三维结构和一定的机械强度，可承受超过自身重量500倍的重量，有利于实现生物炭从水环境中实现快速分离回收再利用，且得到的目标生物炭对去除水环境中的孔雀石绿效果显著，提高对孔雀石绿废水的吸附净化效率，加大了对自然环境的保护力度。
附图说明
图1为原始生物炭(A)和改性后目标生物炭(B)的SEM图和TEM图。
图2为本发明制备的生物炭材料在砝码压制下的状态图。
图3为原始生物炭和改性后目标生物炭的XRD图。
图4为原始生物炭和改性后目标生物炭对孔雀石绿的吸附性能图。
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，以下结合附图及实施例，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。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
本发明一个实施例提供的一种基于槟榔废弃物生物炭材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)槟榔果穗原材料的处理：采集槟榔果穗，将槟榔果穗烘干后进行粉碎，得到槟榔果穗粉末；
(2)制备原始生物炭材料：称量1.5g的槟榔粉末原材料倒入长方形的瓷舟内，并将瓷舟置于管式炉中，在氮气氛围中进行碳化处理，得到原始生物炭材料；
(3)原始生物炭样品的改性与活化：原始生物炭材料原始生物炭在温和的室温条件下，先经0.5M的氢氟酸溶液浸泡处理，再经10％的过氧化氢溶液浸泡处理，得到制作长方形生物炭样品；
(4)获得长方形目标生物炭材料：将制作长方形生物炭样品放入烘箱内进行烘烤，得到目标生物炭材料。
在本实施例中，本发明的制备方法操作简易，绿色经济，得到的目标生物炭依然保持宏观的三维结构和一定的机械强度，可承受超过自身重量500倍的重量，有利于实现生物炭从水环境中实现快速分离回收再利用，且得到的目标生物炭对去除水环境中的孔雀石绿效果显著，提高对孔雀石绿废水的吸附净化效率，加大了对自然环境的保护力度。
作为本发明的一种优选实施例，在步骤(1)中，所述槟榔果穗烘干温度设置为80℃，且所述槟榔果穗粉碎后经100目的筛网进行筛选。
作为本发明的一种优选实施例，在步骤(2)中，所述管式炉内的氮气含量为99.5％，先将管式炉加热至100℃并保持1h后，再将管式炉以5℃/min的速率加热至700℃，对槟榔粉末原材料进行碳化处理，得到原始生物炭材料。
作为本发明的一种优选实施例，所述原始生物炭材料是一种具有宏观三维结构且具备机械强度的原始生物炭材料，所述原始生物炭材料每块约为0.5g。
作为本发明的一种优选实施例，在步骤(3)中，原始生物炭材料在0.5M的氢氟酸溶液内浸泡时间为1h，在10％的过氧化氢溶液内浸泡时间为2h。
作为本发明的一种优选实施例，所述0.5M的氢氟酸溶液和10％的过氧化氢溶液的浸泡容量均为20ml。
作为本发明的一种优选实施例，在步骤(4)中，烘箱的烘烤温度设置为80℃，且所述长方形生物炭样品烘烤时间为2h。
作为本发明的一种优选实施例，所述目标生物炭材料是一种具有宏观三维结构且具备一定机械强度的目标生物炭材料。
本发明提供根据上述制备方法制备得到的基于槟榔废弃物的生物炭材料。
本发明还提供所述基于槟榔废弃物生物炭材料的应用，槟榔废弃物生物炭材料用于对孔雀石绿废水进行净化处理。
作为本发明的一种优选实施例，吸附孔雀石绿实验：用去离子水制备1000mg/L的孔雀石绿原液，将原液稀释到10,20,40,80,120,160和200mg/L的不同初始浓度，得到测试溶液。10mg的生物炭样品，分别加入到20mL的10，20,40,80，120,160和200mg/L的测试溶液中。室温下置于摇床中振摇12h后，取一定量的混合溶液，用0.45μm的滤膜过滤，从而测定剩余的孔雀石绿的浓度。孔雀石绿的浓度通过紫外分光光度计在波长为615nm处测定。所有的实验重复三次，实验数据取平均值。
被吸附的孔雀石绿的量通过以下公式计算：
其中，Qe是生物炭对孔雀石绿的吸附量(mg/g)，Co和Ct分别为孔雀石绿的初始浓度和取样测定的目标物溶液浓度(mg/L)，m为生物炭材料的用量(mg)。
如图1所示，从图B可知，经过简单的改性后生物炭具有清晰的孔径结构，这些多孔结构可为孔雀石绿提供更多的活性位点，吸附性能显著提高；图C的TEM图再次证实经改性和活化后的生物炭具有多孔结构。
如图2所述，获得的生物炭材料具有宏观的三维结构和一定的机械强度，可承受超过自身重量500倍的重量强度。
如图3所示，从图中可看出，在室温条件下，原始生物炭经过HF和H2O2溶液处理后，包括SiO2、CaO3、MgO等杂质被明显去除。图中Q:SiO2；C:CaO3；P:MgO。
如图4所示，改性后的获得的目标生物炭对孔雀石绿的吸附量明显高于原始生物炭。
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 (10)
1.一种基于槟榔废弃物生物炭材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)槟榔果穗原材料的处理：采集槟榔果穗，将槟榔果穗烘干后进行粉碎，得到槟榔果穗粉末；
(2)制备原始生物炭材料：称量1.5g的槟榔粉末原材料倒入长方形的瓷舟内，并将瓷舟置于管式炉中，在氮气氛围中进行碳化处理，得到原始生物炭材料；
(3)原始生物炭样品的改性与活化：原始生物炭材料原始生物炭在温和的室温条件下，先经0.5M的氢氟酸溶液浸泡处理，再经10％的过氧化氢溶液浸泡处理，得到制作长方形生物炭样品；
(4)获得长方形目标生物炭材料：将制作长方形生物炭样品放入烘箱内进行烘烤，得到目标生物炭材料。
2.根据权利要求1所述的基于槟榔废弃物生物炭材料的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述槟榔果穗烘干温度设置为80℃，且所述槟榔果穗粉碎后经100目的筛网进行筛选。
3.根据权利要求1所述的基于槟榔废弃物生物炭材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述管式炉内的氮气含量为99.5％，先将管式炉加热至100℃并保持1h后，再将管式炉以5℃/min的速率加热至700℃，对槟榔粉末原材料进行碳化处理，得到原始生物炭材料。
4.根据权利要求3所述的基于槟榔废弃物生物炭材料的制备方法，其特征在于，所述原始生物炭材料是一种具有宏观三维结构且具备机械强度的原始生物炭材料，所述原始生物炭材料每块为0.5g。
5.根据权利要求4所述的基于槟榔废弃物生物炭材料的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，原始生物炭材料在0.5M的氢氟酸溶液内浸泡时间为1h，在10％的过氧化氢溶液内浸泡时间为2h。
6.根据权利要求5所述的基于槟榔废弃物生物炭材料的制备方法，其特征在于，所述0.5M的氢氟酸溶液和10％的过氧化氢溶液的浸泡容量均为20ml。
7.根据权利要求1所述的基于槟榔废弃物生物炭材料的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，烘箱的烘烤温度设置为80℃，且所述长方形生物炭样品烘烤时间为2h。
8.根据权利要求1所述的基于槟榔废弃物生物炭材料的制备方法，其特征在于，所述目标生物炭材料是一种具有宏观三维结构且具备机械强度的目标生物炭材料。
9.一种基于槟榔废弃物生物炭材料，其特征在于，采用如权利要求1-8任一所述的基于槟榔废弃物生物炭材料的制备方法制备得到。
10.如权利要求9所述的基于槟榔废弃物生物炭材料在孔雀石绿废水进行净化处理的应用。
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2021
- 2021-12-02 CN CN202111457434.0A patent/CN114082404A/zh active Pending
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