CN115055159A - 一种钙改性秸秆生物炭的制备方法及用其同步吸附磷酸盐和四环素的方法 - Google Patents
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Abstract
一种钙改性秸秆生物炭的制备方法及用其同步吸附磷酸盐和四环素的方法。本发明属于废弃生物质制备生物炭及应用领域。本发明的目的是为了解决现有生物炭吸附剂处理污染物目标单一、选择性强的技术问题。制备方法：步骤1：向秸秆中加入氯化钙溶液，置于恒温振荡器中在搅拌条件下浸泡过夜；步骤2：将浸泡后的秸秆烘干，然后于管式炉中进行高温热解，得到钙改性秸秆生物炭。将钙改性秸秆生物炭投加到污染水体中，室温下搅拌处理，完成磷酸盐和四环素的同步吸附。本发明的生物炭对共存污染物磷酸盐和四环素的吸附率分别为56.5％和64％。本发明的钙改性玉米秸秆生物炭可以实现对无机磷酸盐和有机四环素的同步吸附去除。
Description
技术领域
本发明属于废弃生物质制备生物炭及应用领域，具体涉及一种钙改性秸秆生物炭的制备方法及用其同步吸附磷酸盐和四环素的方法。
背景技术
随着我国经济的发展与人民生活水平的提高，畜禽业迅速发展。与此同时，畜禽业生产对环境造成了严重的影响。畜禽养殖过程中会产生大量的粪肥类废水，包含高浓度的氮磷等无机营养物，是造成水体富营养化的来源之一。同时含有其他有机物、重金属和抗生素药物的残留，对水生生态环境和人类健康构成了威胁。在众多污染物中，以磷酸盐和四环素作为营养物和抗生素药物的典型代表。磷酸盐处理方法以化学沉淀为主，但是沉淀过程中会产生大量氢氧化物和碳酸盐等，对环境造成了二次污染。四环素具有强细菌抗性，很难被生物降解，化学法作为其主要的去除手段，包括吸附、膜过滤、光催化降解等。为了保证污染物去除的经济成本和有效性，吸附法成为了当前实际工程中去除污染物最常用的技术之一。
由于制备生物炭的原材料例如：生物质，污泥等，来源广泛，价格低廉，含有丰富的孔隙结构，所以，生物炭成为了吸附过程中常见的材料之一。然而，由生物质等材料通过直接热解获得的生物炭质地密实，比表面积小，缺少可吸附的活性位点，对污染物的吸附能力有限。因此，很多学者通过对生物炭进行改性来提高生物炭的吸附特性。化学改性、浸渍和热处理常用于生物质的改性，赋予生物质更多的吸附官能团、较大的比表面积和丰富的孔隙结构，进而提高污染物的吸附。对于生物炭的改性，通常根据污染物的特性出发，磷酸盐的吸附更多的采用金属阳离子改性后的生物炭，以便于与磷酸根形成配位络合。而用于吸附四环素的生物炭则更多的依附于芳香结构与丰富的孔隙，使四环素被吸附于孔隙内与之形成作用力。正是由于它们属于不同的吸附机制，因此，很少有研究能够同时去除磷酸盐和四环素。但是，实际水体中的污染物种类繁杂，寻找能够同时吸附多种污染物的材料十分必要。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有生物炭吸附剂处理污染物目标单一、选择性强的技术问题，而提供一种钙改性秸秆生物炭的制备方法及用其同步吸附磷酸盐和四环素的方法。
本发明的一种钙改性秸秆生物炭的制备方法按以下步骤进行：
步骤1：向秸秆中加入氯化钙溶液，置于恒温振荡器中在搅拌条件下浸泡过夜；
步骤2：将浸泡后的秸秆烘干，然后于管式炉中进行高温热解，得到钙改性秸秆生物炭。
进一步限定，步骤1中所述秸秆为玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆或大豆秸秆。
进一步限定，步骤1中所述秸秆的质量与氯化钙溶液的体积的比为1g：(18～22)mL。
进一步限定，步骤1中所述秸秆的质量与氯化钙溶液的体积的比为1g：20mL。
进一步限定，步骤1中所述氯化钙溶液的浓度为0.8mol/L～1.2mol/L。
进一步限定，步骤1中所述氯化钙溶液的浓度为1mol/L。
进一步限定，步骤2中所述高温热解温度为500～850℃。
本发明的一种用钙改性秸秆生物炭同步吸附磷酸盐和四环素的方法按以下步骤进行：
将钙改性秸秆生物炭投加到污染水体中，投加量为0.25g/L～2.5g/L，室温下搅拌处理10h～24h，完成污染水体处理。
进一步限定，所述污染水体中磷酸盐浓度为10mg/L～50mg/L，四环素浓度为10mg/L～30mg/L。
进一步限定，所述钙改性秸秆生物炭的投加量为1g/L。
本发明与现有技术相比具有的显著效果：
1)本申请钙改性方法操作简单，不需加热，能耗低，由此决定了生物炭的制备成本低，且钙改性后的生物炭能够同步实现对磷酸盐和四环素的吸附去除。
2)本发明的方法利用氯化钙对玉米秸秆进行改性，一方面，增大了生物炭的比表面积，产生了更多的孔隙，另一方面，利用钙离子和生物炭的结合，实现了磷酸盐和四环素的同步吸附。
附图说明
图1为实施例1的钙改性秸秆生物炭对磷酸盐与四环素共吸附的去除效果图；
图2为对比例1中未改性秸秆生物炭对磷酸盐与四环素共吸附的去除效果图；
图3为实施例1的钙改性秸秆生物炭对不同浓度的KH2PO4的去除效果图；
图4为实施例1的钙改性生物炭对不同浓度的四环素的去除效果图；
图5为实施例1的钙改性秸秆生物炭的扫描电镜图；
图6为对比例1中未改性秸秆生物炭的扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1：本实施例的一种钙改性秸秆生物炭的制备方法按以下步骤进行：
步骤1：向粉碎后的玉米秸秆中加入浓度为1mol/L的氯化钙溶液，置于恒温振荡器中在200rpm的搅拌条件下浸泡24h；所述秸秆的质量与氯化钙溶液的体积的比为1g：20mL；
步骤2：将浸泡后的秸秆于60℃下烘干48h，然后于管式炉中在800℃下进行高温热解1h，得到钙改性秸秆生物炭。
实施例2：用实施例1的钙改性秸秆生物炭同步吸附磷酸盐和四环素的方法按以下步骤进行：
将实施例1的钙改性秸秆生物炭投加到污染水体(污染水体中磷酸盐浓度为30mg/L，四环素浓度为20mg/L)中，投加量为1g/L，室温下搅拌处理24h，完成污染水体处理。
针对实施例2处理后的水体进行检测，得到如图1所示的钙改性秸秆生物炭对污染水体的去除效果图。
对比例1：采用直接在管式炉中于800℃下进行高温热解1h得到的玉米秸秆生物炭，以同样的投加量处理与实施例2中相同的污染水体，并对处理后水体进行检测，得到如图2所示的玉米秸秆生物炭对污染水体的去除效果图。
由图1和图2的对比可以看出，利用未改性的秸秆生物炭同时去除磷酸盐和四环素的效果明显不如钙改性生物炭的去除效果，未改性的生物炭对磷酸盐几乎没有去除作用，对四环素的去除率最高达到34.19％，且四环素的吸附量在7h基本稳定，达到33.38％。然而，钙改性后的生物炭同步吸附磷酸盐和四环素时，对磷酸盐的吸附量明显增多，去除率稳步增长，2h即可达到20％的去除量，中间没有脱附的现象，吸附量一直在升高，直到24h的56.53％，是未改性生物炭去除的205倍。同步吸附的四环素去除率也比未改性的好，1h就能达到35.2％的去除率，比未改性24h的吸附量还高。最终去除率为64.25％，是未改性生物炭的去除率的1.88倍，这种结果的发生主要是依赖改性生物炭的孔隙结构的增多和官能团的键和，使污染物被稳固地吸附在生物碳表面和孔道中。
对比例2：采用实施例1的钙改性秸秆生物炭处理仅含磷酸盐的污染水体，方法如下：
将实施例1的钙改性秸秆生物炭投加到污染水体(污染水体中KH2PO4浓度分别为10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L、50mg/L)中，投加量为1g/L，室温下搅拌处理12h，完成污染水体处理，得到如图3所示的钙改性秸秆生物炭对KH2PO4的去除效果图。
从图3可以看出，生物炭对磷酸盐的去除率在前2h内变化较快，后期吸附速度变慢。低浓度和高浓度下的吸附率在2h后基本变化不大，20和30mg/L的吸附率在2h后仍然呈现一直上升的趋势，其最大去除率出现在10mg/L的溶液中，最大去除率为84.89％。改性生物炭对单一磷酸盐吸附效果的提升可能是由于没有四环素的竞争吸附导致的。
对比例3：采用实施例1的钙改性秸秆生物炭处理仅含四环素的污染水体，方法如下：
将实施例1的钙改性秸秆生物炭投加到污染水体(污染水体中四环素浓度分别为20mg/L、30mg/L、40mg/L、50mg/L)中，投加量为1g/L，室温下搅拌处理12h，完成污染水体处理，得到如图4所示的钙改性秸秆生物炭对四环素的去除效果图。
从图4可以看出，在前30min内，四环素的去除率急速升高每个初始浓度下的去除率都达到了40％以上，然后有下降的趋势，可能由于吸附的不稳定导致的脱附，后期去除速率变慢，直到12h，初始浓度为20mg/L的四环素的去除率最大，为58％。与该结果相比，同步去除四环素未受影响，甚至有微弱的提高，在12h时，四环素的同步去除率达到60％，与单一吸附相比有升高。这种效果在实际水处理中是十分有利的。
图5和图6为改性前后生物炭的形貌，从图5和图6可以看出，钙改性后的生物炭的表面变得粗糙，质地变薄，孔道增多，这些变化对污染物的吸附都是有利的。
综合以上分析，磷酸盐在12h时去除率为49％，但是24h后的吸附去除率升高至56.5％，说明本申请钙改性秸秆生物炭具有极大的同步吸附磷酸盐和四环素的能力。
Claims (10)
1.一种钙改性秸秆生物炭的制备方法，其特征在于，该制备方法按以下步骤进行：
步骤1：向秸秆中加入氯化钙溶液，置于恒温振荡器中在搅拌条件下浸泡过夜；
步骤2：将浸泡后的秸秆烘干，然后于管式炉中进行高温热解，得到钙改性秸秆生物炭。
2.根据权利要求1所述的一种钙改性秸秆生物炭的制备方法，其特征在于，步骤1中所述秸秆为玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆或大豆秸秆。
3.根据权利要求1所述的一种钙改性秸秆生物炭的制备方法，其特征在于，步骤1中所述秸秆的质量与氯化钙溶液的体积的比为1g：(18～22)mL。
4.根据权利要求1所述的一种钙改性秸秆生物炭的制备方法，其特征在于，步骤1中所述秸秆的质量与氯化钙溶液的体积的比为1g：20mL。
5.根据权利要求1所述的一种钙改性秸秆生物炭的制备方法，其特征在于，步骤1中所述氯化钙溶液的浓度为0.8mol/L～1.2mol/L。
6.根据权利要求1所述的一种钙改性秸秆生物炭的制备方法，其特征在于，步骤1中所述氯化钙溶液的浓度为1mol/L。
7.根据权利要求1所述的一种钙改性秸秆生物炭的制备方法，其特征在于，步骤2中所述高温热解温度为500～850℃。
8.利用如权利要求1-7任意一项权利要求所述的制备方法制得的钙改性秸秆生物炭同步吸附磷酸盐和四环素的方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：
将钙改性秸秆生物炭投加到污染水体中，投加量为0.25g/L～2.5g/L，室温下搅拌处理10h～24h，完成污染水体处理。
9.根据权利要求8所述的一种用钙改性秸秆生物炭同步吸附磷酸盐和四环素的方法，其特征在于，所述污染水体中磷酸盐浓度为10mg/L～50mg/L，四环素浓度为10mg/L～30mg/L。
10.根据权利要求8所述的一种用钙改性秸秆生物炭同步吸附磷酸盐和四环素的方法，其特征在于，所述钙改性秸秆生物炭的投加量为1g/L。
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