CN114917869B - 一种用于重金属优先吸附的废弃绿茶生物炭制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物炭制备技术领域，公开了一种用于重金属优先吸附的废弃绿茶生物炭制备方法，包括以下步骤：S1、炭化处理：将茶叶渣炭化，得到炭化颗粒；S2、活化处理：将炭化颗粒活化，得到活化产物；S3、洗涤处理：将活化产物洗涤，得到炭颗粒；S4、混合处理：将炭颗粒与纳米零价铁混合，得到绿茶生物炭。本发明依次通过化处理、活化处理、洗涤处理和混合处理制得绿茶生物炭，在活化处理加入活化剂，在混合处理将炭颗粒与纳米零价铁混合，且活化剂由氢氧化钾溶液、氯化锌溶液和结晶硫酸镁溶液，制备的绿茶生物炭对重金属离子具有优异的吸附和清除能力，且可以在较短的时间内实现对重金属离子的吸附作用。

Description

一种用于重金属优先吸附的废弃绿茶生物炭制备方法

技术领域

本发明涉及生物炭制备技术领域，具体是一种用于重金属优先吸附的废弃绿茶生物炭制备方法。

背景技术

随着工业化的高速发展，越来越多的含有重金属的废水被排放到水环境中，严重威胁生态环境，对人体健康产生危害，而随着人们生活水平的提高，茶叶的消费量也逐渐增大，尤其是绿茶，深受人们的喜爱，而绿茶在生产、消费的过程中会产生大量的茶叶渣，茶叶渣中碳含量大约为50％，可以制备成生物炭，用于对废液中的重金属进行吸附，实现了变废为宝。

中国专利公开了一种具有吸附重金属的生物炭及其制备方法与应用(授权公告号CN111318272B)，该专利技术通过大量试验筛选，充分利用柚子皮等废弃物，变废为宝，通过优选工艺制备得到。本发明通过对比实验筛选结果表明，柚子皮经过特定工艺改性后的生物炭相比未改性的生物碳具有更好的孔隙结构和重金属的吸附能力，但是其岁重金属的吸附效果不高，不能快速地完成对重金属的去除。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于重金属优先吸附的废弃绿茶生物炭制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于重金属优先吸附的废弃绿茶生物炭制备方法，包括以下步骤：

S1、炭化处理：取茶叶渣用热水浸泡后，再用去离子水洗净，放入到105±2℃的烘干箱中烘干，粉碎后过40目筛，送入管式反应炉中，并通入氮气加热至550±10℃，恒温30min后降至室温，研磨至150～450um，得到炭化颗粒；

S2、活化处理：按照质量比1：3将S1步骤中得到的炭化颗粒浸渍在活化剂中，并在60℃恒温下浸渍12h，过滤并在120℃下烘干10h，再置于管式反应炉中，并通入氮气加热至650±10℃，恒温60min后降至室温，得到活化产物；

S3、洗涤处理：将S2步骤中得到活化产物加入到1mol/L的稀盐酸中，并用磁力搅拌机搅拌12h，通过抽滤装置分离后再用去离子水搅拌8h后，再次进行抽滤，至抽滤液至6～7即可，最后放入烘干箱内120℃干燥即可制得炭颗粒；

S4、混合处理：将炭颗粒与纳米零价铁按照质量比2:1混合后，研磨过筛至60-80um，压制成型即得到绿茶生物炭。

作为本发明再进一步的方案：所述S4步骤中纳米零价铁的制备包括以下步骤：

S41、按照重量份将5份FeSO₄·7H₂O和50份去离子水加入至反应釜中，再加入20份无水乙醇，搅拌至固体完全溶解；

S42、再将2份NaBH₄溶于浓度为0.1％的NaOH溶液中，以1drop/s的速度滴入到反应釜中，并同时通入氮气，在滴加的过程中一直搅拌溶液，滴加结束后，继续搅拌20min；

S43、再用去离子水清洗三遍，用磁铁吸引法分离溶液和固体，将得到的黑色固体放入真空冷冻干燥箱24h后取出即可。

作为本发明再进一步的方案：所述S1和S2步骤中在加热前通入氮气，以排出炉腔内的氧气，防止其氧化，在加热的过程中，持续通入氮气以保持无氧环境，氮气流速为20ml/min，其升温速度为5℃/min。

作为本发明再进一步的方案：所述S1和S2步骤中设置有监控系统，用于在加热过程中进行温度监控、气态产物成分和浓度采集以及历史数据查询和实时数据显示。

作为本发明再进一步的方案：所述S2步骤中活化剂由0.15mol/L的氢氧化钾溶液、0.2mol/L的氯化锌溶液和结晶硫酸镁溶液组成，其中氢氧化钾溶液、氯化锌溶液和结晶硫酸镁溶液的体积比为3:2:1.5。

作为本发明再进一步的方案：所述S42步骤中Fe⁰的制备反应方程如下式：

Fe²⁺+2BH₄ ^-+6H₂O→Fe⁰+2B(OH)₃+7H₂↑ (1)

上式(1)中，FeSO₄·7H₂O为氧化剂，NaBH₄为还原剂，Fe⁰通过静电作用和表面络合作用吸附重金属离子，同时作为电子供体，将重金属离子还原到低价态，同时通过炭颗粒提高了Fe⁰的分散性。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明依次通过化处理、活化处理、洗涤处理和混合处理制得绿茶生物炭，在活化处理加入活化剂，在混合处理将炭颗粒与纳米零价铁混合，且活化剂由氢氧化钾溶液、氯化锌溶液和结晶硫酸镁溶液，制备的绿茶生物炭对重金属离子具有优异的吸附和清除能力，且可以在较短的时间内实现对重金属离子的吸附作用。

附图说明

图1为一种用于重金属优先吸附的废弃绿茶生物炭制备方法的流程示意图；

图2为一种用于重金属优先吸附的废弃绿茶生物炭制备方法中Cr⁶⁺的变化曲线图；

图3为一种用于重金属优先吸附的废弃绿茶生物炭制备方法中Cd²⁺的变化曲线图；

图4为一种用于重金属优先吸附的废弃绿茶生物炭制备方法中Cu²⁺的变化曲线图。

具体实施方式

请参阅图1～4，本发明实施例中，一种用于重金属优先吸附的废弃绿茶生物炭制备方法，包括以下步骤：

S1、炭化处理：取茶叶渣用热水浸泡后，再用去离子水洗净，放入到105±2℃的烘干箱中烘干，粉碎后过40目筛，送入管式反应炉中，并通入氮气加热至550±10℃，恒温30min后降至室温，研磨至150～450um，得到炭化颗粒；

S2、活化处理：按照质量比1：3将S1步骤中得到的炭化颗粒浸渍在活化剂中，并在60℃恒温下浸渍12h，过滤并在120℃下烘干10h，再置于管式反应炉中，并通入氮气加热至650±10℃，恒温60min后降至室温，得到活化产物；

S3、洗涤处理：将S2步骤中得到活化产物加入到1mol/L的稀盐酸中，并用磁力搅拌机搅拌12h，以除去其中的杂质，通过抽滤装置分离后再用去离子水搅拌8h后，再次进行抽滤，至抽滤液至6～7即可，最后放入烘干箱内120℃干燥即可制得炭颗粒；

S4、混合处理：将炭颗粒与纳米零价铁按照质量比2:1混合后，研磨过筛至60-80um，压制成型即得到绿茶生物炭。

优选的，所述S4步骤中纳米零价铁的制备包括以下步骤：

S41、按照重量份将5份FeSO₄·7H₂O和50份去离子水加入至反应釜中，再加入20份无水乙醇，搅拌至固体完全溶解；

S42、再将2份NaBH₄溶于浓度为0.1％的NaOH溶液中，以1drop/s的速度滴入到反应釜中，并同时通入氮气，在滴加的过程中一直搅拌溶液，滴加结束后，继续搅拌20min；

S43、再用去离子水清洗三遍，用磁铁吸引法分离溶液和固体，将得到的黑色固体放入真空冷冻干燥箱24h后取出即可。

优选的，所述S1和S2步骤中在加热前通入氮气，以排出炉腔内的氧气，防止其氧化，在加热的过程中，持续通入氮气以保持无氧环境，氮气流速为20ml/min，其升温速度为5℃/min。

优选的，所述S1和S2步骤中设置有监控系统，用于在加热过程中进行温度监控、气态产物成分和浓度采集以及历史数据查询和实时数据显示。

优选的，所述S2步骤中活化剂由0.15mol/L的氢氧化钾溶液、0.2mol/L的氯化锌溶液和结晶硫酸镁溶液组成，其中氢氧化钾溶液、氯化锌溶液和结晶硫酸镁溶液的体积比为3:2:1.5。

优选的，所述S42步骤中Fe⁰的制备反应方程如下式：

Fe²⁺+2BH₄ ^-+6H₂O→Fe⁰+2B(OH)₃+7H₂↑ (1)

上式(1)中，FeSO₄·7H₂O为氧化剂，NaBH₄为还原剂，Fe⁰通过静电作用和表面络合作用吸附重金属离子，同时作为电子供体，将重金属离子还原到低价态，同时通过炭颗粒提高了Fe⁰的分散性，例如Cr⁶⁺的毒性是Cr³⁺的毒性的数百倍，将Cr⁶⁺还原成Cr³⁺，大大降低了重金属的毒性，所述纳米零价铁还原Cr⁶⁺的反应方程如下式：

3Fe⁰+Cr₂O₇ ^2-+14H⁺→3Fe²⁺+2Cr³⁺+7H₂O (2)

6Fe²⁺+Cr₂O₇ ^2-+14H⁺→6Fe³⁺+2Cr³⁺+7H₂O (3)

nCr³⁺+(1-n)Fe³⁺+2H₂O→Cr_nFe_1-nOHH↓+3H⁺ (4)

nCr³⁺+(1-n)Fe³⁺+3H₂O→Cr_nFe_1-n(OH)₃↓+3H⁺ (5)

通过上式(2)、(3)、(4)和(5)，将Cr⁶⁺还原成Cr³⁺，Fe³⁺与Cr³⁺产生吸附和共沉淀作用。

为了更好地说明本发明的技术效果，通过下述实施例进行阐述：

采用本发明制备的绿茶生物炭作为实施例；采用专利网公开的一种以废弃绿茶渣为原料的金属钒高效吸附-还原材料的制备及其应用(公开日：2022-01-07，公开号：CN113893824A)制备的生物炭作为对比例一；采用专利网公开的一种具有吸附重金属的生物炭及其制备方法与应用(公开日：2020-12-08，公开号：CN111318272B)制备的生物炭作为对比例二；

分别用Cd(N0₃)₂、CuSO4和K₂Cr₂O₇与1：1的硫酸溶液配制成40.00mg/L的Cd²⁺溶液、30.00mg/L的Cu²⁺溶液、60.00mg/L的Cr⁶⁺溶液，分别取100mlCd²⁺溶液、Cu²⁺溶液、Cr⁶⁺溶液，并按照1g/L的浓度分别加入吸附剂，在水浴25℃下，以120～180r/min的转速，恒温振荡2h，分别在0、10、30、60、90、120min时间点取样，取上清液过滤，测定滤液的Cd²⁺、Cu²⁺、Cr⁶⁺浓度；并计算去除率和吸附量q_e，其中，去除率E＝(C₀-C_e)/C₀×100％；吸附量q_e＝(C₀-C_e)V/m；其中，E为有效去除率，q_e为e时刻的吸附量(单位：mg/g)，C₀为溶液中待分析离子的初始浓度(即0min时刻的浓度，单位：mg/L)，C_e为e时刻溶液中的离子浓度(单位：mg/L)，V为离子溶液的体积(单位：L)，投加吸附材料的质量(单位：g)，并将结果记录到下表1中；

表1 Cr⁶⁺浓度变化记录表

从表1可以分析得出：在0～120min内，实施例中对Cr⁶⁺的去除率和吸附量均高于对比例一和对比例二，尤其是在0～30min内，实施例中对Cr⁶⁺的去除率和吸附量更加显著；根据说明书附图2可以得出：在0～30min内，相比于对比例一和对比例二，实施例的斜率更大，从而得出本发明对Cr⁶⁺的吸附速度更快；

进而可以得出：本发明可以在短时间内即可对重金属离子Cr⁶⁺起到较高的吸附作用。且吸附地更加彻底。

表2 Cd²⁺浓度变化记录表

从表2可以分析得出：在0～120min内，实施例中对Cd²⁺的去除率和吸附量均高于对比例一和对比例二，尤其是在0～30min内，实施例中对Cd²⁺的去除率和吸附量更加显著；根据说明书附图3可以得出：在0～30min内，相比于对比例一和对比例二，实施例的斜率更大，从而得出本发明对Cd²⁺的吸附速度更快；

进而可以得出：本发明可以在短时间内即可对重金属离子Cd²⁺起到较高的吸附作用。且吸附对更加彻底。

表3 Cu²⁺浓度变化记录表

从表3可以分析得出：在0～120min内，实施例中对Cu²⁺的去除率和吸附量均高于对比例一和对比例二，尤其是在0～30min内，实施例中对Cu²⁺的去除率和吸附量更加显著；根据说明书附图4可以得出：在0～30min内，相比于对比例一和对比例二，实施例的斜率更大，从而得出本发明对Cu²⁺的吸附速度更快；

进而可以得出：本发明可以在短时间内即可对重金属离子Cu²⁺起到较高的吸附作用。且吸附地更加彻底。

以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于重金属优先吸附的废弃绿茶生物炭制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、炭化处理：取茶叶渣用热水浸泡后，再用去离子水洗净，放入到105±2℃的烘干箱中烘干，粉碎后过40目筛，送入管式反应炉中，并通入氮气加热至550±10℃，恒温30min后降至室温，研磨至150～450um，得到炭化颗粒；

S2、活化处理：按照质量比1：3将S1步骤中得到的炭化颗粒浸渍在活化剂中，并在60℃恒温下浸渍12h，过滤并在120℃下烘干10h，再置于管式反应炉中，并通入氮气加热至650±10℃，恒温60min后降至室温，得到活化产物；其中活化剂由0.15mol/L的氢氧化钾溶液、0.2mol/L的氯化锌溶液和结晶硫酸镁溶液组成，其中氢氧化钾溶液、氯化锌溶液和结晶硫酸镁溶液的体积比为3:2:1.5；

S3、洗涤处理：将S2步骤中得到活化产物加入到1mol/L的稀盐酸中，并用磁力搅拌机搅拌12h，通过抽滤装置分离后再用去离子水搅拌8h后，再次进行抽滤，至抽滤液至pH值为6～7即可，最后放入烘干箱内120℃干燥即可制得炭颗粒；

S4、混合处理：将炭颗粒与纳米零价铁按照质量比2:1混合后，研磨过筛至60-80um，压制成型即得到绿茶生物炭；其中，纳米零价铁的制备包括以下步骤：

S41、按照重量份将5份FeSO₄·7H₂O和50份去离子水加入至反应釜中，再加入20份无水乙醇，搅拌至固体完全溶解；

S42、再将2份NaBH₄溶于浓度为0.1%的NaOH溶液中，以1滴/s的速度滴入到反应釜中，并同时通入氮气，在滴加的过程中一直搅拌溶液，滴加结束后，继续搅拌20min；

S43、再用去离子水清洗三遍，用磁铁吸引法分离溶液和固体，将得到的黑色固体放入真空冷冻干燥箱24h后取出即可。

2.根据权利要求1所述的一种用于重金属优先吸附的废弃绿茶生物炭制备方法，其特征在于，所述S1和S2步骤中在加热前通入氮气，以排出炉腔内的氧气，防止其氧化，在加热的过程中，持续通入氮气以保持无氧环境，氮气流速为20mL/min，其升温速度为5℃/min。

3.根据权利要求1所述的一种用于重金属优先吸附的废弃绿茶生物炭制备方法，其特征在于，所述S1和S2步骤中设置有监控系统，用于在加热过程中进行温度监控、气态产物成分和浓度采集以及历史数据查询和实时数据显示。