CN114762816A - 一种多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法，提供了一种用于吸附土壤和水体中重金属/抗生素的多孔掺杂生物炭材料及其制备方法，属于环境保护技术领域。该方法首先是废弃木块，混合熔融盐及杂原子前驱体，置于马弗炉中，在400‑700度下恒温热解1‑8小时制得的。本发明的有益效果在于：熔融盐在低温下融化成液态，起到了隔绝空气的作用，在马弗炉中即可实现生物质的炭化；其次，杂原子前驱体可为生物炭提供杂原子，增强对重金属、抗生素的吸附效果。

Description

一种多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法
技术领域
本发明涉及环境保护技术领域，特别是指一种多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法。
背景技术
工业生产导致的重金属污染极具毒性和不可降解，可通过生物积累通过食物链传递，对人类健康产生不利影响；规模化畜禽养殖业的发展，抗生素的大量使用，导致水体抗生素污染成为亟待解决的另一环境问题。
重金属和抗生素污染的治理方法主要分为：①物理法，②化学法，③生物法。物理法的适用范围窄，一般用于难溶类或悬浮状污染物的去除；化学法易受化学平衡的影响，还伴有二次污染的产生；生物法因微生物对环境敏感度高、专一性强，或受植物生长周期和季节等因素制约，在应用上也受限。而基于物理法和化学法发展起来的吸附法，不仅避免了上述缺陷，而且还具有高效性，已被广泛应用在重金属和抗生素污染治理上。生物炭具有丰富的孔结构、较高的比表面积、阳离子交换能力强、表面官能团丰富等优点，可作为廉价高效的吸附剂用于污染土壤和水体的治理。
以往的研究侧重于将生物质在无氧环境下热解或水热炭化制备的（ZL201910017024.0，ZL201910016896.5，ZL202010615097.2，ZL201911309856.6，ZL201910896659.2），不可避免的要使用到强酸、强碱、强氧化剂等进行造孔及表面活化，其次，惰性气体的使用也导致生产工艺较为复杂和成本较高。因此，采用简单工艺、降低成本，是生物炭用于环境污染治理的关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法，该方法简化了生物炭基重金属/抗生素吸附剂的制备工艺，成本低廉，同时提高了生物炭对重金属离子和抗生素的吸附性能。
本发明的第一个目的在于提供一种多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：将木块、熔融盐、杂原子前驱体按一定质量比混合；
步骤S2：将步骤S1制得的混合物置于马弗炉中，在空气气氛下，恒温热解，获得生物炭前驱体。
步骤S3：将步骤S2制得的生物炭前驱体进行水洗、过滤，干燥，即制得多孔掺杂生物炭。
优选的，所述熔融盐为锂、钠、钾、镁、铝、钙、铁、钴、镍、锰的卤化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐的一种或几种。
优选的，所述杂原子前驱体为含硼、氮、硫、磷的无机化合物或有机化合物。
优选的，所述质量比为1：（5~20）：（0.1~1）。
优选的，所述恒温热解的温度为400-700度，升温速率为2-10度/分钟、热解时间为1-8小时、热解气氛为空气。
本发明的第二个目的，在于提供一种如上所述制备方法制得的多孔掺杂生物炭用于土壤、水体中重金属/抗生素吸附的应用。
本发明提供的一种多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法与现有技术相比，熔融盐具有较低得融化温度，在较低的温度下可融化成液态，从而能形成生物质炭化的隔氧环境，无需惰性气氛保护，在空气中即可热解炭化；其次，熔融盐还可对生物炭进行刻蚀，增加其孔隙率和比表面积，增强其吸附能力；杂原子前驱体的添加，在热解过程中可对生物炭实现掺杂，进而达到增强吸附活性位点的目的。
具体实施方式
一种多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：将木块、熔融盐、杂原子前驱体按一定质量比混合；
步骤S2：将步骤S1制得的混合物置于马弗炉中，在空气气氛下，恒温热解，获得生物炭前驱体。
步骤S3：将步骤S2制得的生物炭前驱体进行水洗、过滤，干燥，即制得多孔掺杂生物炭。
优选的，所述熔融盐为锂、钠、钾、镁、铝、钙、铁、钴、镍、锰的卤化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐的一种或几种。
优选的，所述杂原子前驱体为含硼、氮、硫、磷的无机化合物或有机化合物。
优选的，所述质量比为1：（5~20）：（0.1~1）。
优选的，所述恒温热解的温度为400-700度，升温速率为2-10度/分钟、热解时间为1-8小时、热解气氛为空气。
本发明的第二个目的，在于提供一种如上所述制备方法制得的多孔掺杂生物炭用于土壤、水体中重金属/抗生素吸附的应用。
本发明提供的一种多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法与现有技术相比，熔融盐具有较低得融化温度，在较低的温度下可融化成液态，从而能形成生物质炭化的隔氧环境，无需惰性气氛保护，在空气中即可热解炭化；其次，熔融盐还可对生物炭进行刻蚀，增加其孔隙率和比表面积，增强其吸附能力；杂原子前驱体的添加，在热解过程中可对生物炭实现杂原子掺杂，进而达到增强吸附活性位点的目的。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明，但本发明并不限于以下实施例。实施例中采用的实施条件可以根据具体使用的不同要求做进一步调整，未注明的实施条件为本行业中的常规条件。
实施例1
本实施例提供多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤Ⅰ、按1：20：0.5的质量比分别称取木块、CaCl2/FeCl3混合盐（CaCl2与FeCl3的摩尔比为17：33、尿素，研磨混合均匀；
步骤Ⅱ、将步骤Ⅰ制得的混合物置于马弗炉中，在空气气氛下，以5度/分钟的升温速率升温至500度，热解时间为2小时，得到生物炭前驱体。
步骤Ⅲ、将步骤Ⅱ制得的生物炭前驱体进行水洗、过滤、干燥，即制得多孔掺杂生物炭。
实施例2
本实施例提供一种多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法，它与实施例1中的基本一致，不同的是：步骤Ⅰ中称取0.5g硫脲替代尿素。
实施例3
本实施例提供一种多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法，它与实施例1中的基本一致，不同的是：步骤Ⅰ中称取1g硼酸替代尿素。
实施例4
本实施例提供一种多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法，它与实施例1中的基本一致，不同的是：熔融盐为KCl/LiCl混合盐（KCl与LiCl的摩尔比为2：3）。
实施例5
本实施例提供一种多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法，它与实施例4中的基本一致，不同的是：生物质、熔融盐、杂原子前驱体的质量比为1：5：0.5。
对比例1
本对比例提供一种生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法，与实施例1中的基本一致，不同的是：不添加杂原子前驱体。
对比例2
本对比例提供一种生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法，与实施例1中的基本一致，不同的是：不添加熔融盐及杂原子前驱体。
为了进一步说明本发明实施例公开的多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂的有益技术效果，以Cd和诺氟沙星为测试依据，称取各实施例制成的生物炭1g，加入到80mg/L的含Cd2+（或诺氟沙星）的水溶液（20ml）中，在室温条件下搅拌0.5小时，进行吸附测试，采用ICP-MS、紫外-可见光吸收谱测试水溶液中Cd2+或诺氟沙星的浓度，得出重金属/抗生素的去除率。
表1
Figure 855984DEST_PATH_IMAGE002
从表1可以看出，本发明实施例公开的多孔掺杂生物炭具有较好的重金属/抗生素吸附性能，这是各步骤协同作用的结果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法，其特征在于：将木块按一定质量比混合熔融盐、杂原子前驱体，置于马弗炉中，恒温热解，获得多孔掺杂生物炭。
2.根据权利要求1所述的多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法，其特征在于，所述熔融盐为锂、钠、钾、镁、铝、钙、铁、钴、镍、锰的卤化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法，其特征在于，所述杂原子前驱体为含硼、氮、硫、磷的无机化合物或有机化合物。
4.根据权利要求1所述的多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法，其特征在于，所述生物质、熔融盐、杂原子前驱体三者之间的质量比为1：（5~20）：（0.1~1）。
5.根据权利要求1所述的多孔掺杂生物炭基重金属/抗生素吸附剂及制备方法，其特征在于，所述恒温热解的温度为400-700度，升温速率为2-10度/分钟、热解时间为1-8小时、热解气氛为空气。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116393090A (zh) * 2023-03-08 2023-07-07 桂林理工大学南宁分校 一种磁性夏威夷果壳生物炭吸附材料及其制备方法和应用

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