CN115672276A - 一种利用氯化镁改性增强生物炭吸附铜离子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用氯化镁改性增强生物炭吸附铜离子的方法，属于吸附剂处理重金属污染领域。本发明所述方法包括以下步骤：将玉米秸秆和木屑晒干、粉碎、过筛后，与氯化镁溶液混合浸渍，然后依次离心、过滤、烘干、厌氧热解，得到改性生物炭。经氯化镁改性后，生物炭对铜离子的吸附明显增强。

Description

一种利用氯化镁改性增强生物炭吸附铜离子的方法

技术领域

本发明涉及一种利用氯化镁改性增强生物炭吸附铜离子的方法，尤其是利用氯化镁改性增强玉米秸秆和木屑生物炭吸附铜离子的方法，属于吸附剂处理重金属污染领域。

背景技术

在人类活动过程中，如金属开采、冶炼和加工等释放的重金属进入环境中会对人类产生致命的威胁。铜是与人类关系非常密切的有色金属，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在中国有色金属材料的消费中仅次于铝。由于工业发展的需要，对铜的需求将长时间处于持续增长状态。然而，由于不合理的开发应用，铜污染现已成为我国土壤和水环境中重金属污染来源之一。根据中国农田土壤重金属富集状况及其空间分布研究显示，铜污染在云南北部地区出现连片的高值区域，云南省土壤中铜含量背景值更是位居全国首位。铜进入土壤和水体后，会抑制和毒害植物生长，对生态环境产生负面影响。铜的不可降解性和生物积累效应有害人体健康，急性和慢性铜暴露会导致肝肾功能和中枢神经系统受损，最终甚至会提高癌症的发病率。

生物炭是一种新兴材料，由富含碳的生物质在氧气限制热解下分解而成。制备生物炭的原料来源广泛，主要是农业废弃物、生物炭污泥以及动物粪便。生物炭的特点是高碱度、大比表面积、多孔的结构、丰富的官能团和相对稳定。近年来，生物炭在修复陆地和水环境中的重金属污染方面受到了极大的关注。生物炭的分级孔隙度和丰富的官能团为重金属吸附提供许多吸附位点。研究表明，生物炭中矿物组分的存在对生物炭吸附重金属有一定的促进作用，热解过程中矿物组分的存在会改变生物炭的表面官能团，离子交换容量，提高生物炭的离子交换能力。

玉米秸秆和木屑生物炭作为常用的吸附剂，便宜优惠，吸附效果好，被大量运用于土壤、水体污染物处理，对污染物有较高的吸附容量，但对重金属铜的吸附能力还需进一步提高。因此，寻求增强玉米秸秆和木屑生物炭对铜的吸附能力的方法具有重大意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种利用氯化镁改性增强玉米秸秆和木屑生物炭吸附铜离子的方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种利用氯化镁改性增强生物炭吸附铜离子的方法，具体包括以下步骤：

（1）将晒干的玉米秸秆和木屑粉碎，作为生物质原料；

（2）将生物质原料与氯化镁溶液混合浸渍，将混合液振摇混匀；

（3）将混合液离心后去掉上清液，将剩余固体物质烘干，得到改性后的生物质原料；

（4）将改性后的生物质原料放入马弗炉，在马弗炉中连续通入氮气，高温炭化，然后待马弗炉降温后取出，混匀磨碎后过筛，得到改性后的玉米秸秆和木屑生物炭。

优选地，步骤（2）中生物质原料与氯化镁溶液固液比为1:8~1:12，氯化镁与生物质原料质量比为1:9~1:11。

优选地，步骤（2）中振摇步骤为在卧式摇床中在转速为120±5rpm/min，温度为25±0.5℃条件下振摇，振摇时间为24±0.1h。

优选地，步骤（3）中离心速率为4000±5rpm/min，离心时间为10±0.5min。

优选地，步骤（3）中烘干温度为105±0.5℃。

优选地，步骤（4）中炭化步骤为于300±5℃下碳化1±0.1h。

本发明的原理：由于氯化镁的加入，导致生物炭中矿物离子增加，热解过程中镁离子的存在促进了生物炭表面含氧官能团（羟基、羧基、羰基）的形成，使得生物炭与铜离子的离子交换能力和络合能力增强，从而提高生物炭对铜离子的吸附能力。另外，生物炭对铜的吸附过程中可能存在生物炭的表面沉淀和阳离子π作用，由于生物炭表面带负电荷，生物炭与Cu²⁺之间还可能存在静电吸引作用。

与现有技术相比，本发明具有的优点及积极效果：

1、本发明采用玉米秸秆和木屑为原料，在热解前通过浸渍法添加氯化镁，对铜离子的吸附结果显示，改性后生物炭对铜离子的吸附容量明显增加。

2、改性后的生物炭对铜离子吸附性能提升，有利于应用到重金属废水和土壤重金属修复等环境领域。

3、本发明所述方法制得的生物炭，对和铜离子相似的其他重金属离子（镉、铅）也有吸附效果。

附图说明

图1为实施例1、2及对比例1、2制得的生物炭对铜离子的吸附等温线图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步详细说明本发明的实质内容和有益效果，该实施例仅用于说明本发明而非对本发明的限制。

对比例1

改性前玉米秸秆生物炭对铜离子的吸附，具体步骤如下：

（1）将晒干的玉米秸秆粉碎，过60目筛，得到玉米秸秆粉末。

（2）将玉米秸秆粉末加入陶瓷坩埚中，置于马弗炉中，用限氧升温法制备生物炭样品；限氧升温法的具体做法：将坩埚放进马弗炉后，连续通入30min氮气，保持马弗炉内空气被排除处于缺氧状态，续通氮气升温至300℃下热解炭化1h，待降温至50℃以下，可以关闭氮气取出坩埚，热解及降温直到坩埚取出前要保证持续通入氮气，用研钵将生物炭研磨碎，过60目筛，混合均匀后保存备用。

（3）将步骤（2）中得到的生物炭进行吸附等温实验：称取样品4.0mg，分别加入1~12mg/L铜离子溶液8mL，调节体系pH，使吸附过程体系pH保持在5±0.5以下，将混合液于25±0.5℃的恒温摇床中，以120rpm/min震荡72h。于2500rpm/min下离心，过0.45μm的微孔滤膜，利用火焰原子吸收（FAAS）测定溶液中Cu²⁺的浓度。吸附率及吸附等温线如表1和图1所示。

实施例1

利用氯化镁改性增强玉米秸秆生物炭吸附铜离子的方法，具体步骤如下：

（1）将晒干的玉米秸秆粉碎，过60目筛，得到玉米秸秆粉末。

（2）将步骤（1）中玉米秸秆粉末用氯化镁溶液浸渍，氯化镁与玉米秸秆粉末质量比为1:10，玉米秸秆粉末与氯化镁溶液固液比为1:10。将混合液放入25±0.5℃的恒温摇床中，以120rpm/min摇24h。混合液在4000rpm/min下离心10min，离心后去掉上清液，将剩余固体物质放入105℃烘箱烘干，得到改性后的玉米秸秆生物质。

（3）将步骤（2）中改性后的玉米秸秆生物质加入陶瓷坩埚中，置于马弗炉中，用限氧升温法制备生物炭样品；限氧升温法的具体做法：将坩埚放进马弗炉后，连续通入30min氮气，保持马弗炉内空气被排除处于缺氧状态，续通氮气升温至300℃下热解炭化1h，待降温至50℃以下，可以关闭氮气取出坩埚，热解及降温直到坩埚取出前要保证持续通入氮气，用研钵将生物炭研磨碎，过60目筛，混合均匀后保存备用。

（4）将步骤（3）中得到的生物炭进行吸附等温实验：称取样品4.0mg，分别加入1~12mg/L铜离子溶液8mL，调节体系pH，使吸附过程体系pH保持在5以下，将混合液于25±0.5℃的恒温摇床中，以120rpm/min震荡72h。于2500rpm/min下离心，过0.45μm的微孔滤膜，利用火焰原子吸收（FAAS）测定溶液中Cu²⁺的浓度。吸附率及吸附等温线如表1和图1所示。

吸附等温实验中，实验条件以生物炭与铜离子溶液固液比为1:1500~1:2000，浓度1~12mg/L，体系中pH<5.0，反应时间72±0.5h为佳。

对比例2

改性前木屑生物炭对铜离子的吸附，具体步骤如下：

（1）将晒干的木屑粉碎，过60目筛，得到木屑粉末。

（2）将步骤（1）中的木屑粉末加入陶瓷坩埚中，置于马弗炉中，用限氧升温法制备生物炭样品；限氧升温法的具体做法：将坩埚放进马弗炉后，连续通入30min氮气，保持马弗炉内空气被排除处于缺氧状态，续通氮气升温至300℃下热解炭化1h，待降温至50℃以下，可以关闭氮气取出坩埚，热解及降温直到坩埚取出前要保证持续通入氮气，用研钵将生物炭研磨碎，过60目筛，混合均匀后保存备用。

（3）将步骤（2）中得到的生物炭进行吸附等温实验：称取样品4.0mg，分别加入1~12mg/L铜离子溶液8mL，调节体系pH，使吸附过程体系pH保持在5以下，将混合液于25±0.5℃的恒温摇床中，以120rpm/min震荡72h。于2500rpm/min下离心，过0.45μm的微孔滤膜，利用火焰原子吸收（FAAS）测定溶液中Cu²⁺的浓度。吸附率及吸附等温线如表1和图1所示。

实施例2

利用氯化镁改性增强木屑生物炭吸附铜离子的方法，具体步骤如下：

（1）将晒干的木屑粉碎，过60目筛，得到木屑粉末。

（2）将步骤（1）中的木屑粉末用氯化镁溶液浸渍，氯化镁与木屑粉末质量比为1:10，木屑粉末与氯化镁溶液固液比为1:10。将混合液放入25±0.5℃的恒温摇床中，以120rpm/min摇24h。混合液在4000rpm/min下离心10min，离心后去掉上清液，将剩余固体物质放入105℃烘箱烘干，得到改性后的木屑生物质。

（3）将步骤（2）中改性后的木屑生物质加入陶瓷坩埚中，置于马弗炉中，用限氧升温法制备生物炭样品；限氧升温法的具体做法：将坩埚放进马弗炉后，连续通入30min氮气，保持马弗炉内空气被排除处于缺氧状态，续通氮气升温至300℃下热解炭化1h，待降温至50℃以下，可以关闭氮气取出坩埚，热解及降温直到坩埚取出前要保证持续通入氮气，用研钵将生物炭研磨碎，过60目筛，混合均匀后保存备用。

（4）将步骤（3）中得到的生物炭进行吸附等温实验：称取样品4.0mg，分别加入1~12mg/L铜离子溶液8mL，调节体系pH，使吸附过程体系pH保持在5以下，将混合液于25±0.5℃的恒温摇床中，以120rpm/min震荡72h。于2500rpm/min下离心，过0.45μm的微孔滤膜，利用火焰原子吸收（FAAS）测定溶液中Cu²⁺的浓度。吸附率及吸附等温线如表1和图1所示。

表1

铜离子浓度（mg/L）	1	1.6	2.4	3.2	4.4	6.2	8.6	12
									对比例1吸附率（%）	38%	34%	38%	33%	32%	26%	23%	21%
实施例1吸附率（%）	53%	54%	51%	55%	51%	47%	46%	35%
									对比例2吸附率（%）	9%	7%	8%	7%	6%	6%	10%	4%
实施例2吸附率（%）	52%	51%	52%	49%	42%	40%	33%	27%

上述两个对比例和两个实施例吸附等温实验结果显示，在经过氯化镁改性后两种生物炭对铜离子的吸附容量明显增加。

实施例3

利用氯化镁改性增强玉米秸秆和木屑生物炭吸附铜离子的方法，具体步骤如下：

（1）将晒干的玉米秸秆和木屑粉碎，过60目筛，得到玉米秸秆和木屑粉末。

（2）将步骤（1）中的玉米秸秆和木屑粉末用氯化镁溶液浸渍，氯化镁与木屑粉末质量比为1:9，玉米秸秆和木屑粉末与氯化镁溶液固液比为1:8。将混合液放入25±0.5℃的恒温摇床中，以120±5rpm/min摇24±0.1h。混合液在4000±5rpm/min下离心10±0.5min，离心后去掉上清液，将剩余固体物质放入105±0.5℃烘箱烘干，得到改性后的玉米秸秆和木屑生物质。

（3）将步骤（2）中改性后的玉米秸秆和木屑生物质加入陶瓷坩埚中，置于马弗炉中，用限氧升温法制备生物炭样品；限氧升温法的具体做法：将坩埚放进马弗炉后，连续通入30min氮气，保持马弗炉内空气被排除处于缺氧状态，续通氮气升温至300±5℃下热解炭化1±0.1h，待降温至50℃以下，可以关闭氮气取出坩埚，热解及降温直到坩埚取出前要保证持续通入氮气，用研钵将生物炭研磨碎，过60目筛，混合均匀后即得。

实施例4

利用氯化镁改性增强玉米秸秆和木屑生物炭吸附铜离子的方法，具体步骤如下：

（1）将晒干的玉米秸秆和木屑粉碎，过60目筛，得到玉米秸秆和木屑粉末。

（2）将步骤（1）中的玉米秸秆和木屑粉末用氯化镁溶液浸渍，氯化镁与木屑粉末质量比为1:11，玉米秸秆和木屑粉末与氯化镁溶液固液比为1:12。将混合液放入25±0.5℃的恒温摇床中，以120±5rpm/min摇24±0.1h。混合液在4000±5rpm/min下离心10±0.5min，离心后去掉上清液，将剩余固体物质放入105±0.5℃烘箱烘干，得到改性后的玉米秸秆和木屑生物质。

（3）将步骤（2）中改性后的玉米秸秆和木屑生物质加入陶瓷坩埚中，置于马弗炉中，用限氧升温法制备生物炭样品；限氧升温法的具体做法：将坩埚放进马弗炉后，连续通入30min氮气，保持马弗炉内空气被排除处于缺氧状态，续通氮气升温至300±5℃下热解炭化1±0.1h，待降温至50℃以下，可以关闭氮气取出坩埚，热解及降温直到坩埚取出前要保证持续通入氮气，用研钵将生物炭研磨碎，过60目筛，混合均匀后即得。

以上是对本发明的具体实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种利用氯化镁改性增强生物炭吸附铜离子的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

（1）将晒干的玉米秸秆和木屑粉碎，作为生物质原料；

（2）将生物质原料与氯化镁溶液混合浸渍，将混合液振摇混匀；

（3）将混合液离心后去掉上清液，将剩余固体物质烘干，得到改性后的生物质原料；

（4）将改性后的生物质原料放入马弗炉，在马弗炉中连续通入氮气，高温炭化，然后待马弗炉降温后取出，混匀磨碎后过筛，得到改性后的玉米秸秆和木屑生物炭。

2.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，步骤（2）中生物质原料与氯化镁溶液固液比为1:8~1:12，氯化镁与生物质原料质量比为1:9~1:11。

3.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，步骤（2）中振摇步骤为在卧式摇床中在转速为120±5rpm/min，温度为25±0.5℃条件下振摇。

4.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，步骤（3）中离心速率为4000±5rpm/min，离心时间为10±0.5min。

5.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，步骤（3）中烘干温度为105±0.5℃。

6.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，步骤（4）中炭化步骤为于300±5℃下碳化1±0.1h。

7.权利要求1至6任意一项所述的方法制得的改性后的玉米秸秆和木屑生物炭的应用，其特征在于，所述改性后的玉米秸秆和木屑生物炭可用于吸附重金属废水和重金属土壤中的铜离子。

Images