CN114192134A - 一种水热炭光催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水热炭光催化剂及其制备方法与应用，该水热炭光催化剂是由生物质原料和蒸馏水反应制备而成，具体方法步骤为1)将生物质原料进行粉碎、过筛、洗涤、烘干，制得生物质粉末；2)将1～10份生物质粉末溶解于10～90份去离子水中搅拌并进行超声处理使其成为悬浮液；3)将悬浮液转移至反应釜中，水热反应完成再进行离心、洗涤、干燥，获得水热炭化光催化剂，本发明制备的水热炭光催化剂在光照条件下具有优良的光催化活性，对水中的重金属污染物具有强降解作用，在水污染处理方面具有潜在的应用价值和良好的经济收益，具有原料来源获取简单，反应条件温和，操作过程简单，催化效率高，无二次污染等特点。
Description
技术领域
本发明涉及废水处理领域，尤其涉及一种水热炭光催化剂及其制备方法与应用。
背景技术
环境污染问题引起了全世界的广泛关注。制革、冶炼等行业生产的六价铬，是累积在陆地和水系统中的毒性最大的污染物之一，一旦进入生态系统，包括人类在内的生物由于其高溶解度、强毒性和生物累积效应而面临严重威胁。许多传统处理方法已被用于去除铬，如离子交换、化学沉淀、膜分离、生物修复、吸附和还原等。其中吸附法利用多孔、大比表面积、高吸附性能材料捕集水体中重金属，再使用脱附液，能够回收重金属并使吸附材料再生。而生物炭由于具有比表面积大、孔隙率大、结构稳定等特点，被广泛用于重金属离子的吸附。制备生物炭的传统方法为热解法，通常需要对生物炭进行改性或者较高温度处理。例如CN202110888164.2公开发明了一种改性生物炭的制备方法和用途，采用磷酸二氢钾对生物炭进行高温热解，提高了生物炭的吸附能力；CN202110869701.9公开发明了一种接枝强化生物炭基重金属吸附材料的制备方法，对生物质进行硝基接枝改性，极大增多生物质炭的吸附位点，增强生物炭材料对重金属吸附去除能力。
针对生物炭进行改性或热解，存在的制备过程较为复杂、能耗大等问题，水热法制备生物质炭制备过程更为简便且制备条件更温和，同时光催化技术以其成本低、效率高、太阳能利用潜力大等优点在过去几十年中逐渐得到发展。制备的水热炭采用光催化技术对重金属进行降解能够解决能耗大的问题，以更低的成本能够实现更高的降解效果。与金属光催化剂相比，能够避免二次污染，为农林废弃物的利用提供更环保的方式。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的技术问题，提供一种水热炭光催化剂及其制备方法与应用。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种水热炭光催化剂，该水热炭光催化剂是由生物质原料和蒸馏水反应制备而成，所述生物质原料与蒸馏水的的质量比为1～10：10～30，所述水热炭光催化剂具有孔状结构，碳源的尺寸为60～250μm。
优选的，所述生物质原料为纤维素、花生壳、锯末、甘蔗渣、玉米秸秆、稻壳、竹炭中的至少一种。
本发明还提供了上述方案所述水热炭光催化剂及其制备方法，包括以下步骤：
1)将生物质原料进行粉碎、过筛、洗涤、烘干，制得生物质粉末；
2)将1～10份生物质粉末溶解于10～90份去离子水中搅拌并进行超声处理使其成为悬浮液；
3)将悬浮液转移至反应釜中，水热反应完成再进行离心、洗涤、干燥，获得水热炭化光催化剂。
优选的，所述水热炭化处理为在180～350℃持续加热8～24h。
优选的，步骤2)中超声时间为10～30min；步骤3)中洗涤所用溶液选自无水乙醇、丙酮和蒸馏水中的至少一种，洗涤次数为3～6次；洗涤后的干燥方式是在60～120℃下干燥12～24h。
本发明还提供了上述方案所述水热炭光催化剂或所述制备方法制备得到的水热炭光催化剂在可见光催化降解重金属污染物中的应用。
本发明有益效果：
1.生物质来源广泛，价格低廉，环境友好；
2.反应条件温和，操作过程简单，效率高，低能耗；
3.所制备的生物质炭表面富含含氧官能团，对金属离子有很高的亲和力，对重金属离子具有很高的去除率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例1所制样品的XRD表征图；
图2为实施例1所制样品的Cr(VI)降解能力评价图；
图3为实施例1所制样品在不同pH环境下的Cr(VI)降解能力评价图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
参照图1-图3，本发明的优选实施例，一种水热炭光催化剂，该水热炭光催化剂是由生物质原料和蒸馏水反应制备而成，所述生物质原料与蒸馏水的的质量比为1～10：10～30，所述水热炭光催化剂具有孔状结构，碳源的尺寸为60～250μm。
本发明采用水热法将生物质原料进行炭化，生成了具有高比表面积的生物质炭，使生物质炭表面富含含氧官能团，光诱导激发时能够生成更多的超氧自由基和氢氧自由基，进而使催化剂具有高光催化活性，对水中的重金属污染物具有强降解作用，在水污染处理方面具有潜在的应用价值和良好的经济收益，具有原料来源获取简单，反应条件温和，操作过程简单，催化效率高，无二次污染等特点。
本发明中生物质来源广泛，价格低廉，环境友好；反应条件温和，操作过程简单，效率高，低能耗；所制备的生物质炭表面富含含氧官能团，对金属离子有很高的亲和力，对重金属离子具有很高的去除率。
作为本发明的优选实施例，其还可具有以下附加技术特征：
本实施例中，所述生物质原料为纤维素、花生壳、锯末、甘蔗渣、玉米秸秆、稻壳、竹炭中的至少一种。
本发明还提供了上述方案所述水热炭光催化剂及其制备方法，包括以下步骤：
1)将生物质原料进行粉碎、过筛、洗涤、烘干，制得生物质粉末；
2)将1～10份生物质粉末溶解于10～90份去离子水中搅拌并进行超声处理使其成为悬浮液；
3)将悬浮液转移至反应釜中，水热反应完成再进行离心、洗涤、干燥，获得水热炭化光催化剂。
本实施例中，所述水热炭化处理为在180～350℃持续加热8～24h。
本实施例中，步骤2)中超声时间为10～30min；步骤3)中洗涤所用溶液选自无水乙醇、丙酮和蒸馏水中的至少一种，洗涤次数为3～6次；洗涤后的干燥方式是在60～120℃下干燥12～24h。
本发明还提供了上述方案所述水热炭光催化剂或所述制备方法制备得到的水热炭光催化剂在可见光催化降解重金属污染物中的应用。
本发明采用水热法将生物质原料进行炭化，生成了具有高比表面积的生物质炭，使生物质炭表面富含含氧官能团，如羟基、羰基和羧基等构成大多数吸附位点，对金属离子有很高的亲和力，光诱导激发时能够生成更多的超氧自由基和氢氧自由基，进而使催化剂具有高光催化活性。
实施例1
本发明中获得水热炭光催化剂的步骤：
1)将竹炭于台式连续投料粉碎机中进行粉碎、60目筛网过筛、用去离子水和无水乙醇交替洗涤三遍、60℃烘干12h，制得生物质粉末；
2)将7g竹炭粉末溶解于80mL去离子水中，并在室温下条件下超声处理30min获得悬浮液；
3)将悬浮液转移至聚四氟乙烯反应釜中，放入烘箱中，180℃加热12h；
4)将反应所得固体使用去离子水和乙醇交替洗涤三次，再在60℃干燥12h，获得水热炭光催化剂。
性能测试
一、以Cr(VI)为模拟重金属离子，对实施例1所制样品进行吸附和光催化活性测试，具体操作步骤如下：称取实施例1所制样品50.00mg，通过超声使其分散在100mL、10mg/L、pH＝2的K2Cr2O7溶液中，分别置于黑暗环境和300W氙灯光源下模拟光照持续搅拌，定期取出4mL溶液并使用0.22μm过滤器过滤，将1mL滤液加入盛有9mL，0.2mol/L硫酸的试管中，再向其中滴加200μL显色剂，剧烈摇晃10～15s，显色十分钟，然后使用紫外分光光度计测量溶液吸光度，具体测试结果见图2。
二、以Cr(VI)为模拟重金属离子，对实施例1所制样品进行光催化活性测试，具体操作步骤如下：称取实施例1所制样品50.00mg，通过超声使其分别分散在100mL，10mg/L pH为2，3，4，5的K2Cr2O7溶液中，置于300W氙灯光源下模拟光照持续搅拌，定期取出4mL溶液并使用0.22μm过滤器过滤，将1mL滤液加入盛有9mL的0.2mol/L硫酸的试管中，再向其中滴加200μL显色剂，剧烈摇晃10～15s，显色十分钟，然后使用紫外分光光度计测量溶液吸光度，具体测试结果见图3。
由图2可知：实施例1所制水热炭光催化材料对Cr(VI)光催化降解具有很高的活性。
由图3可知：实施例1所制水热炭光催化材料在酸性较强的条件下对Cr(VI)光催化降解活性更高
在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。
以上所述仅为本发明的优先实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种水热炭光催化剂，其特征在于：该水热炭光催化剂是由生物质原料和蒸馏水反应制备而成，所述生物质原料与蒸馏水的的质量比为1～10：10～30，所述水热炭光催化剂具有孔状结构，碳源的尺寸为60～250μm。
2.根据权利要求1所述的一种水热炭光催化剂，其特征在于：所述生物质原料为纤维素、花生壳、锯末、甘蔗渣、玉米秸秆、稻壳、竹炭中的至少一种。
3.一种水热炭光催化剂制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将生物质原料进行粉碎、过筛、洗涤、烘干，制得生物质粉末；
2)将1～10份生物质粉末溶解于10～90份去离子水中搅拌并进行超声处理使其成为悬浮液；
3)将悬浮液转移至反应釜中，水热反应完成再进行离心、洗涤、干燥，获得水热炭化光催化剂。
4.根据权利要求3所述的一种水热炭光催化剂制备方法，其特征在于：所述水热炭化处理为在180～350℃持续加热8～24h。
5.根据权利要求3所述的一种水热炭光催化剂制备方法，其特征在于：步骤2)中超声时间为10～30min；步骤3)中洗涤所用溶液选自无水乙醇、丙酮和蒸馏水中的至少一种，洗涤次数为3～6次；洗涤后的干燥方式是在60～120℃下干燥12～24h。
6.权利要求1～2任一项所述水热炭光催化剂或权利要求3～5任一项所述制备方法制备得到的水热炭光催化剂在可见光催化降解重金属污染物中的应用。
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