CN115634676A - 一种复合环保净水材料 - Google Patents
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Abstract
本发明给出一种农林加工产品废余物的循环利用技术，是以农林产品加工过程中产生的废料、余料为原料，将他们加工成为一种多孔性的碳材料，并嵌入磁性铁氧化物，形成具有铁磁性的生物质复合材料。使用这种材料时，可以利用外加的磁场，实现高效固定和分离的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物质资源循环利用的技术，具体涉及利用农林加工产品的废余物制备复合环保净水材料。
背景技术
活性炭作为净水材料由来已久，其原材料来源广泛，煤、沥青和多种生物质材料等都可以用来加工制造活性炭。利用农林产品加工活性炭的技术也早已成熟。利用农林产品加工获得的活性炭净化材料，往往因本身强度不够，在流体工质的不断冲击下，破碎粉化不可避免，这样会带来很多不利的影响，包括净化剂的流失和净化能力的下降，流体的二次污染等。
发明内容
本发明给出一种生物质资源的循环利用方式，具体为利用农林加工产品的废余物制造复合环保净水材料，更具体来说，以茶叶渣、废竹片、坚果壳等为原料，在将它们加工成为一种多孔性的碳材料的同时嵌入磁性铁氧化物，形成具有铁磁性的生物质复合材料。当使用这种材料时，可以利用外加的磁场，实现高效固定和分离的需求，进而更好地适用于各种净水工艺。
本发明将作为碳基体的茶渣等废余物的成孔过程与铁磁性材料的生成过程结合在一起，同步完成，以提高铁磁性材料与碳基体之间结合的均匀度及强度。具体来说，本发明通过磷酸和氢氧化钠的活化，使各种农林加工产品废余物形成具有多孔结构的碳基材料；在磷酸活化的同时，引入铁盐，而铁盐转变成磁性铁氧化物的过程与氢氧化钠活化过程同步。
本发明的复合环保净水材料的加工过程为：配制由磷酸、氯化铁和氯化亚铁组成的水溶液，倒入烘干的农林加工产品废余物（10-20目）中，浸渍处理后，倒入氢氧化钠的固体颗粒中，经热处理后分离得到产品。过程中所用磷酸与农林加工产品废余物的质量比为0.5-2，所用氢氧化钠与农林加工产品废余物的质量比为1-4，所用氯化亚铁与氯化铁的摩尔比不小于1。浸渍处理的温度范围是室温至150℃，热处理的温度范围是200℃至430℃。
本发明的复合环保净水材料，以农林加工产品废余物为原料，实现了生物质资源的循环利用；而材料中均匀稳定结合的足量磁性铁氧化物可以为该材料提供更多的应用途径。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步的解释和说明。本发明实施例中所用的各种农林加工产品废余物使用前均经110℃下烘干至恒重，破碎后筛取10-20目的物料备用。
实施例1
称取6ml市售浓度为85%磷酸（H3PO4，分量98），8g市售三氯化铁（FeCl3•6H2O，分析纯，分子量270.30），12g 氯化亚铁（FeCl2•4H2O，分析纯，分子量198.81），混合以上三种试剂，加水稀释至25ml并溶解混合均匀形成液体A；将A倒入10g烘干后的市售六堡茶（三鹤牌六堡茶散茶，特级；产品标准：GB/T 32719.4）茶渣，搅拌混合均匀，室温下浸渍8小时后放入恒温油浴，130℃下处理2小时后，自然冷却至室温形成B；称取20g研磨到20目以下的市售NaOH（分析纯，分子量40），装入铁坩埚中后，再将B倒入，与NaOH混合均匀，坩埚加盖后放入马弗炉，控制升温速率为每分钟6℃，升温至200℃，恒温1小时，再升温至375℃，恒温1小时后自然冷却。观察坩埚中的产物发现，茶渣基本保持了处理前的原有形态，没有发生显见的粉化，说明按照实施例1中的工艺处理后的茶渣在强度方面可以满足净水用颗粒材料的要求；同时，采用永久磁铁可将处理后的茶渣颗粒牢固吸附，说明茶渣中有效结合负载了磁性的铁氧化物，从而使其分离过程十分便捷。将分离出的具有磁吸性的茶渣碳材料用去离子水漂洗至中性，烘干得最终产物。
将上述产物装入管状过滤器中（过滤器横截面尺寸为ø8×1mm，长度100mm），过滤器外壁沿轴向套有永久磁铁，将过滤器接入流体管路，且过滤器的进、出水口皆不设置分隔物，以水为工质，控制水在过滤器中的流速为0.2m/s，经过24小时的连续冲刷，过滤器中的碳材料并未发生流失。可见采用本发明工艺制备的茶渣碳材料中的铁磁物质可以稳定且均匀分布，且含量可以保证材料颗粒被磁场力牢牢限定在净水器内。
采用国标法《木质活性炭试验方法碘吸附值的测定标准》(GB/T12496.8-2015)，测定该产品对碘的吸附值为680mg/g。说明本实施例中产物的吸附能力达到普通活性炭材料水平，适用于净水材料。
实施例2，称取12ml浓度为85% H3PO4，16g FeCl3•6H2O，12g FeCl2•4H2O，混合以上三种试剂，加水稀释至50ml并溶解混合均匀形成液体A；将A倒入10g烘干后的废竹片屑（10-20目），，搅拌混合均匀，室温下浸渍4小时后放入恒温油浴，80℃下浸渍1小时后，150℃下继续处理1小时后，自然冷却至室温形成B；称取40g研磨到20目以下的NaOH，装入铁坩埚中后，再将B倒入与NaOH混合均匀，坩埚加盖后放入马弗炉，以每分钟6℃速率升温， 200℃处理1小时，420℃下恒温1小时后自然冷却。观察坩埚中的产物发现，竹屑基本保持了处理前的原有形态，没有发生显见的粉化，说明按照实施例2中的工艺处理后的竹屑在强度方面可以满足净水用颗粒材料的要求；同时，采用永久磁铁可将处理后的竹屑颗粒牢固吸附，说明竹屑中有效结合负载了磁性的铁氧化物，从而使其分离过程十分便捷。将分离出的具有磁吸性的竹屑碳材料用去离子水漂洗至中性，烘干得最终产物。
将上述产物装入如实施例1中的套有永久磁铁的管状过滤器中，将过滤器接入流体管路，且过滤器的进出水口皆不设置分隔物，以水为工质，控制水在过滤器中的流速为0.2m/s，经过24小时的连续冲刷，过滤器中的碳材料并未发生流失。可见采用本发明工艺制备的竹屑碳材料中的铁磁物质可以稳定且均匀分布，且含量可以保证材料颗粒被磁场力牢牢限定在净水器中。
采用国标法《木质活性炭试验方法碘吸附值的测定标准》(GB/T12496.8-2015)，测定该产品对碘的吸附值为740mg/g。说明本实施例中产物的吸附能力达到普通活性炭材料水平，适用于净水材料。
实施例3，称取6ml浓度为85% H3PO4，2.7g FeCl3•6H2O，12gFeCl2•4H2O，混合以上三种试剂，加水稀释至20ml并溶解混合均匀形成液体A；将A倒入10g烘干后的核桃壳（10-20目），搅拌混合均匀，室温下浸渍8小时后放入恒温油浴，120℃下处理1小时后，150℃下继续处理1小时，自然冷却至室温形成B；称取10g研磨到20目以下的NaOH，装入铁坩埚中后，再将B倒入与NaOH混合均匀，坩埚加盖后放入马弗炉，以每分钟6℃速率升温， 200℃处理1小时，300℃恒温1小时，430℃下恒温1小时后自然冷却。观察坩埚中的产物发现，核桃壳基本保持了处理前的原有形态，没有发生显见的粉化，说明按照实施例3中的工艺处理后的核桃壳在强度方面可以满足净水用颗粒材料的要求；同时，用永久磁铁可将处理后的核桃壳颗粒牢固吸附，说明核桃壳中有效结合负载了磁性的铁氧化物，从而使其分离过程十分便捷。将分离出的具有磁吸性的核桃壳碳材料用去离子水漂洗至中性，烘干得最终产物。
将上述产物装入如实施例1中的套有永久磁铁的管状过滤器中，将过滤器接入流体管路，且过滤器的进出水口皆不设置分隔物，以水为工质，控制水在过滤器中的流速为0.2m/s，经过24小时的连续冲刷，过滤器中的碳材料并未发生流失。可见采用本发明工艺制备的核桃壳碳材料中的铁磁物质可以稳定且均匀分布，且含量可以保证材料颗粒被磁场力牢牢限定在净水器中。
采用国标法《木质活性炭试验方法碘吸附值的测定标准》(GB/T12496.8-2015)，测定该产品对碘的吸附值为710mg/g。说明本实施例中产物的吸附能力达到普通活性炭材料水平，适用于净水材料。
比较例1，将市售活性炭颗粒（10-20目的颗粒，比表面积＞500m2/g），装入如实施例1中的套有永久磁铁的管状过滤器中，接入管路且进出水口皆不设置分隔物，打开水阀，流速0.2m/s下，因活性炭颗粒无法被永磁体吸附，很快被完全冲刷流出过滤器。
比较例2，用浸渍沉淀法制备负载磁性铁氧化物的活性炭。将市售活性炭颗粒（规格同比较例1），经酸洗、碱洗后再用去离子水漂洗至中性，称取10g上述处理后的活性炭颗粒（10-20目），浸入由8g FeCl3•6H2O，12g FeCl2•4H2O，加水稀释溶解至20ml的溶液中，浸渍8小时后，倒入10%的氨水溶液中进行沉淀反应，沉淀反应在恒温水浴中进行，温度控制在40℃，pH≥10，反应2小时后，室温下，静置陈化24小时后，去除母液，用去离子水清洗固形物，至洗液pH呈中性后，离心分离出固体，放入烘箱，70℃下烘干4小时，筛取颗粒直径大于20目的固体，该固体能被永磁体吸附。将上述产物装入如实施例1中的套有永久磁铁的管状过滤器中，接入管路且进出水口皆不设置分隔物，打开水阀，流速0.2m/s下，固体颗粒逐渐被冲刷流出过滤器，表明永磁体对固体颗粒的吸附力不够， 0.5小时候后，仅有少量细小的颗粒在永磁体的吸附作用下聚集在过滤器的器壁上。该现象说明，在同样的铁盐配比下（与实施例1类比），通过浸渍沉淀法直接向活性炭上沉积负载磁性铁氧化物得到的材料，具有一定的磁性，但强度和稳定性都不够，不足以保证该材料在流体中稳定工作。
通过以上具体的实施例和比较例可以看出，普通的活性炭材料不具有磁吸性能；而如果采用化学沉淀法，将磁性铁氧化物负载到在先生成的活性炭上时，因在后形成的磁性铁氧化物与活性炭结合强度及均匀度不够，附着在活性炭上的铁氧化物的量不足以实现稳定的整体（负载磁性铁氧化物的活性炭材料）磁吸效果，随着使用时间的延长，附着力不够的净水剂颗粒会很快流失，造成净化性能下降的同时又污染了下游。相反，本发明的净水材料，因为其碳基材料的成孔和磁性铁氧化物的附着过程基本是同时进行的，使得两者之间的结合强度和均匀度显著提高。
Claims (5)
1.一种复合环保净水材料，其特征在于：该材料由农林加工产品的废余物作为碳基体，由铁氧化物作为磁性添加组分，加工而成。
2.根据权利要求1所述的一种复合环保净水材料，其特征在于：通过外加磁场的磁吸作用，该材料可被限制于一定的空间内。
3.根据权利要求1所述的一种复合环保净水材料，其特征在于：加工过程为：配制由磷酸、氯化铁和氯化亚铁组成的水溶液，倒入烘干的农林加工产品的废余物中，浸渍处理后，倒入氢氧化钠的固体颗粒中，经热处理后分离得到产品。
4.根据权利要求3所述的一种复合环保净水材料，其特征在于：加工过程中，所用磷酸与农林加工产品的废余物的质量比为0.5-2，所用氢氧化钠与农林加工产品的废余物的质量比为1-4，所用氯化亚铁与氯化铁的摩尔比不小于1。
5.根据权利要求3所述的一种复合环保净水材料，其特征在于：加工过程中，浸渍处理的温度范围是室温至150℃，热处理过程的温度范围是200℃至430℃。
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