CN115608318A - 一种磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料，所述芦苇生物炭材料以芦苇作为碳源，经过磷酸活化处理后形成孔隙结构发达的生物炭介孔材料；所述芦苇生物炭材料的制备方法包括以下步骤：S1、先将芦苇原料洗净，然后将洗净的芦苇在30～50℃的温度下烘干12～24h，再将烘干的芦苇粉碎；S2、将10～30ml的质量浓度为30～50％的磷酸溶液加入到烧杯中，将3～9g步骤S1中粉碎的芦苇也加入到烧杯中，浸渍5～12h；以芦苇、磷酸为原料制备生物炭材料，工艺路线简单，操作便捷，环保清洁，原料广，价格低廉，便于实现工业化生产。

Description

一种磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料
技术领域
本发明涉及工业废水处理及环境功能材料技术领域，具体为一种磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料。
背景技术
随着印染、化工和制药等工业的飞速发展，工业废水的处理问题成为研究的热点，吸附法因为快速、高效在废水处理方面而备受关注，其中活性炭因为具有高度发达的孔隙结构和巨大的比表面积，而成为重要的吸附剂，目前常用的制备活性炭的原料主要有木材、煤炭和椰子壳，但是此类原料往往存在来源有限，价格昂贵或产品质量不稳定等缺点，因此，低成本、来源广、性能高的活性炭原料的开发逐渐受到人们的关注。
芦苇是一种多年生的植物，水生或沼生，属于非地带性植被，其生长不受地带性条件限制，全国范围内都能生长，分布广泛，资源非常丰富，此类植物具有发达的通气组织，同时对富营养化水体具有显著的净化效应，近年来被广泛应用于水处理领域，大多作为湿地中的挺水植物存在，芦苇应用于污水处理时，主要吸附水中的氮、磷及重金属，需要及时收割，收割后的植物处置也成为一个难题，本发明主要利用收割后的芦苇进行改性合成，既可以解决植物处置的问题，又能合成生物炭材料，延长材料的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料，能够用作污水处理的高效吸附材料。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料，所述芦苇生物炭材料以芦苇作为碳源，经过磷酸活化处理后形成孔隙结构发达的生物炭介孔材料。
如上述的一种磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料的制备方法包括以下步骤：
S1、先将芦苇原料洗净，然后将洗净的芦苇在30～50℃的温度下烘干12～24h，再将烘干的芦苇粉碎；
S2、将10～30ml的质量浓度为30～50％的磷酸溶液加入到烧杯中，将3～9g步骤S1中粉碎的芦苇也加入到烧杯中，浸渍5～12h；
S3、将步骤S2中浸渍后的芦苇取出，放入烘干箱，在40℃～80℃的条件下保温6-24h，然后将保温后的芦苇放入碳化炉中进行碳化，碳化后的芦苇冷却至室温再取出；
S4、步骤S3处理后的芦苇为生物炭，将生物炭用去离子水洗涤3～5遍，然后将生物炭放入烘干箱内以30℃～50℃的温度烘干12～24h；
S5、将步骤S4烘干后的生物炭材料进行研磨，研磨后的生物炭颗粒经过200目标准筛进行筛选，即得到磷酸活化法合成的芦苇生物炭材料。
优选地，步骤S1中芦苇粉碎后的大小控制在200μm～2mm。
优选地，步骤S3中的所述碳化炉为马弗炉。
优选地，步骤S3中芦苇的具体碳化方式为，碳化炉以0.5℃～2℃/min的速度升温至400℃～600℃，保持1～3h后停止加热。
优选地，对步骤S2中浸渍处理后的芦苇利用微波进行活化，微波频率为1800MHz～3000MHz，微波处理温度控制在40℃～60℃。
优选地，将步骤S4烘干后的生物炭放置在紫外辐射箱中，进行紫外辐射改性。
优选地，步骤S4得到的生物炭进行紫外辐射改性时，其紫外照射采用280～190nm波长的紫外灯，紫外辐射强度为300～600μW/cm2，照射时间为18～36h。
优选地，所述芦苇为湿地吸附氮磷后的挺水植物芦苇。
优选地，所述生物炭介孔材料用于处理印染废水。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构设计合理，操作方便，以芦苇、磷酸为原料制备生物炭材料，工艺路线简单，操作便捷，环保清洁，原料广，价格低廉，便于实现工业化生产；本发明制备的生物炭材料具有介孔孔径，比表面积大，活性高；本发明制备的生物炭材料经磷酸活化后表面形成含磷基团，酸性含氧官能团含量尤其是羧基浓度高；本发明利用了湿地吸附氮磷后的挺水植物芦苇，煅烧后合成的生物炭材料用来吸附印染废水，吸附容量大，延长了材料的使用寿命，拓展了材料的多功能应用。
附图说明
图1是实施例1的磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料的BET图；
图2是实施例1的磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料的孔径分布图；
图3是实施例1的磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料对AO7的吸附效果图。
具体实施方式
下面结合图1-图3对本发明进行详细说明，为叙述方便，现对下文所说的方位规定如下：下文所说的上下左右前后方向与图1本身投影关系的上下左右前后方向一致。
实施例1：
一种磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料，所述芦苇生物炭材料以芦苇作为碳源，经过磷酸活化处理后形成孔隙结构发达的生物炭介孔材料，所述芦苇为湿地吸附氮磷后的挺水植物芦苇，所述生物炭介孔材料用于处理印染废水。
如上述的一种磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料的制备方法包括以下步骤：
S1、先将芦苇原料洗净，然后将洗净的芦苇在30℃的温度下烘干12h，再将烘干的芦苇粉碎，芦苇粉碎后的大小控制在200μm～1200μm；
S2、将10ml的质量浓度为30％的磷酸溶液加入到烧杯中，将3g步骤S1中粉碎的芦苇也加入到烧杯中，浸渍5h，如图1所示，是磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料的BET图；
S3、将步骤S2中浸渍后的芦苇取出，放入烘干箱，在40℃的条件下保温6h，然后将保温后的芦苇放入碳化炉中进行碳化，所述碳化炉为马弗炉，碳化炉以0.5℃/min的速度升温至400℃，保持1h后停止加热，碳化后的芦苇冷却至室温再取出；
S4、步骤S3处理后的芦苇为生物炭，将生物炭用去离子水洗涤3遍，然后将生物炭放入烘干箱内以30℃的温度烘干12；
S5、将步骤S4烘干后的生物炭材料进行研磨，研磨后的生物炭颗粒经过200目标准筛进行筛选，即得到磷酸活化法合成的芦苇生物炭材料。
对步骤S2中浸渍处理后的芦苇利用微波进行活化，微波频率为1800MHz，微波处理温度为40℃。
将步骤S4烘干后的生物炭放置在紫外辐射箱中，进行紫外辐射改性。
步骤S4得到的生物炭进行紫外辐射改性时，其紫外照射采用280nm波长的紫外灯，紫外辐射强度为300μW/cm2，照射时间为18h，如图2所示，是磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料的孔径分布图。
实施例2：
一种磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料，所述芦苇生物炭材料以芦苇作为碳源，经过磷酸活化处理后形成孔隙结构发达的生物炭介孔材料，所述芦苇为湿地吸附氮磷后的挺水植物芦苇，所述生物炭介孔材料用于处理印染废水。
如上述的一种磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料的制备方法包括以下步骤：
S1、先将芦苇原料洗净，然后将洗净的芦苇在45℃的温度下烘干18h，再将烘干的芦苇粉碎，芦苇粉碎后的大小控制在1200μm～2200μm；
S2、将20ml的质量浓度为40％的磷酸溶液加入到烧杯中，将6g步骤S1中粉碎的芦苇也加入到烧杯中，浸渍8.5h；
S3、将步骤S2中浸渍后的芦苇取出，放入烘干箱，在60℃的条件下保温15h，然后将保温后的芦苇放入碳化炉中进行碳化，所述碳化炉为马弗炉，碳化炉以1.2℃/min的速度升温至500℃，保持2h后停止加热，碳化后的芦苇冷却至室温再取出；
S4、步骤S3处理后的芦苇为生物炭，将生物炭用去离子水洗涤4遍，然后将生物炭放入烘干箱内以40℃的温度烘干18h；
S5、将步骤S4烘干后的生物炭材料进行研磨，研磨后的生物炭颗粒经过200目标准筛进行筛选，即得到磷酸活化法合成的芦苇生物炭材料。
对步骤S2中浸渍处理后的芦苇利用微波进行活化，微波频率为2400MHz，微波处理温度为50℃。
将步骤S4烘干后的生物炭放置在紫外辐射箱中，进行紫外辐射改性。
步骤S4得到的生物炭进行紫外辐射改性时，其紫外照射采用240nm波长的紫外灯，紫外辐射强度为450μW/cm2，照射时间为27h。
实施例3：
一种磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料，所述芦苇生物炭材料以芦苇作为碳源，经过磷酸活化处理后形成孔隙结构发达的生物炭介孔材料，所述芦苇为湿地吸附氮磷后的挺水植物芦苇，所述生物炭介孔材料用于处理印染废水。
如上述的一种磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料的制备方法包括以下步骤：
S1、先将芦苇原料洗净，然后将洗净的芦苇在50℃的温度下烘干24h，再将烘干的芦苇粉碎，芦苇粉碎后的大小控制在2200μm～2mm；
S2、将30ml的质量浓度为50％的磷酸溶液加入到烧杯中，将9g步骤S1中粉碎的芦苇也加入到烧杯中，浸渍12h；
S3、将步骤S2中浸渍后的芦苇取出，放入烘干箱，在80℃的条件下保温24h，然后将保温后的芦苇放入碳化炉中进行碳化，所述碳化炉为马弗炉，碳化炉以2℃/min的速度升温至600℃，保持3h后停止加热，碳化后的芦苇冷却至室温再取出；
S4、步骤S3处理后的芦苇为生物炭，将生物炭用去离子水洗涤5遍，然后将生物炭放入烘干箱内以50℃的温度烘干24h；
S5、将步骤S4烘干后的生物炭材料进行研磨，研磨后的生物炭颗粒经过200目标准筛进行筛选，即得到磷酸活化法合成的芦苇生物炭材料。
对步骤S2中浸渍处理后的芦苇利用微波进行活化，微波频率为3000MHz，微波处理温度为60℃。
将步骤S4烘干后的生物炭放置在紫外辐射箱中，进行紫外辐射改性。
步骤S4得到的生物炭进行紫外辐射改性时，其紫外照射采用190nm波长的紫外灯，紫外辐射强度为600μW/cm2，照射时间为36h。
实验例：
1.称取11份0.02g实施例1制备的芦苇生物炭分别置于各个150mL锥形瓶中；
2.向各个锥形瓶中分别加入100mL的AO7溶液，向各个锥形瓶中初始浓度分别为20、40、60、80、120、160、200、280、360、480、600mg/L，溶液初始pH值为4；
3.然后将锥形瓶置入温度为298K的恒温振荡器，以150r/min的转速震荡4d；
4.待锥形瓶内吸附平衡后用0.45μm的滤膜进行过滤，测定滤液中AO7的浓度；
5.如图3所示的Langmuir模型拟合，芦苇生物炭的吸附容量为530mg/g。

Claims (10)

1.一种磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料，其特征在于，所述芦苇生物炭材料以芦苇作为碳源，经过磷酸活化处理后形成孔隙结构发达的生物炭介孔材料。
2.如权利要求1所述的一种磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、先将芦苇原料洗净，然后将洗净的芦苇在30～50的温度下烘干12～24h，再将烘干的芦苇粉碎；
S2、将10～30ml的质量浓度为30～50％的磷酸溶液加入到烧杯中，将3～9g步骤S1中粉碎的芦苇也加入到烧杯中，浸渍5～12h；
S3、将步骤S2中浸渍后的芦苇取出，放入烘干箱，在40℃～80℃的条件下保温6-24h，然后将保温后的芦苇放入碳化炉中进行碳化，碳化后的芦苇冷却至室温再取出；
S4、步骤S3处理后的芦苇为生物炭，将生物炭用去离子水洗涤3～5遍，然后将生物炭放入烘干箱内以30℃～50℃的温度烘干12～24h；
S5、将步骤S4烘干后的生物炭材料进行研磨，研磨后的生物炭颗粒经过200目标准筛进行筛选，即得到磷酸活化法合成的芦苇生物炭材料。
3.根据权利要求2所述的一种芦苇生物炭材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中芦苇粉碎后的大小控制在200μm～2mm。
4.根据权利要求2所述的一种芦苇生物炭材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中的所述碳化炉为马弗炉。
5.根据权利要求2所述的一种芦苇生物炭材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中芦苇的具体碳化方式为，碳化炉以0.5℃～2℃/min的速度升温至400℃～600℃，保持1～3h后停止加热。
6.根据权利要求2所述的一种芦苇生物炭材料的制备方法，其特征在于：对步骤S2中浸渍处理后的芦苇利用微波进行活化，微波频率为1800MHz～3000MHz，微波处理温度控制在40℃～60℃。
7.根据权利要求2所述的一种芦苇生物炭材料的制备方法，其特征在于：将步骤S4烘干后的生物炭放置在紫外辐射箱中，进行紫外辐射改性。
8.根据权利要求7所述的一种芦苇生物炭材料的制备方法，其特征在于：步骤S4得到的生物炭进行紫外辐射改性时，其紫外照射采用280～190nm波长的紫外灯，紫外辐射强度为300～600μW/cm2，照射时间为18～36h。
9.根据权利要求1所述的一种磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料，其特征在于，所述芦苇为湿地吸附氮磷后的挺水植物芦苇。
10.根据权利要求1所述的一种磷酸活化改性合成的芦苇生物炭材料的应用，其特征在于，将其应用于处理印染废水。
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