CN115818639B - 一种生物质体相炭材料及其制备和在环境修复领域的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料科学与环保技术领域，公开了一种生物质体相炭材料及其制备和在环境修复领域的应用。本发明制备方法包含以下步骤：将芭蕉科植物的废弃物以块体的形式直接干燥、收集备用；将芭蕉茎块用碱液进行处理、洗涤、干燥；将碱处理后的芭蕉茎块碳化，碳化所得样品切割成尺寸适用的块体，得到生物质体相炭材料。利用芭蕉科植物的废弃物的天然有序的多孔结构，通过碱处理和碳化的方法获得具有自支撑三维结构和分级孔隙结构的体相(块体)炭材料，所得炭材料还具有杂原子自掺杂特性。该生物质体相炭材料具有分级多孔结构和杂原子掺杂特性，可用于环境修复领域，如吸附水体中的重金属离子和有机染料，且使用后可回收再利用。
Description
技术领域
本发明属于材料科学与环保技术领域，具体涉及一种生物质体相炭材料及其制备和在环境修复领域的应用。
背景技术
随着社会进步、工业发展和人口增加，环境污染问题日益突出。近年来，水体污染问题(如重金属、燃料、塑料添加剂等)给生态环境、食品安全及人类健康造成了巨大的威胁。重金属污染具有治理难度大、污染周期长、潜伏危害大等特点，是当今环境领域和社会领域关注的焦点问题之一；而有机染料会降低水体透明度、抑制光合作用，导致生态系统紊乱，并通过食物链富集危害人类身体健康，因此开发切实有效的处理方法治理水体污染尤为重要。其中，吸附法具有操作简单、效率高、无二次污染等特点，是目前处理重金属和染料污染最有效的方法之一。
生物质炭，是指废弃生物质(如农作物废弃物、城市垃圾以及动物粪便等)在缺氧或微氧条件下高温热解制备的一类富含碳素的固体产物，具有来源广泛、价格低廉、比表面积大等、表面官能团丰富特点，被广泛用于水体污染物治理。据估算，国内生物质能源总量中，可用于开发利用部分相当于约七亿吨标准煤。随着农业、林业的发展，我国可利用的生物质资源也将逐步增多，未来将有非常大的开发、利用潜力。由于不同原料在不同热解条件和改性方法下获得的生物质炭具有多样化的物理化学特性，因此原料的选择和制备条件的调控对生物质炭的合成与应用尤为重要。
芭蕉科植物主要分布在亚洲及非洲热带地区，种类繁多、生长周期短、产量极高，每年产生大量的废弃物，造成了巨大的环境压力和资源浪费。芭蕉科植物的杆和茎叶不仅含碳量高，且含有丰富的磷、硫、氮等杂原子(胡萝卜素、尼克酸、硫胺素等)，是一种理想的前驱体，可用于杂原子自掺杂多孔炭的制备。
现有技术公开了一种以芭蕉科植物为原料制备具有吸附性能活性炭的方法，该方法使用芭蕉科植物原料磨成粉末，制备成粒径较小的粉末状活性炭。该种活性炭在吸附水中的有害物质后难以从水体中分离出来，易造成二次污染。该方法中还采用了酸性溶液的水热炭化工艺，然后在经过固体粉末活化剂在高温碳化活化处理，该工艺步骤复杂，产品对重金属离子(Pb2+、Cd2+和Cu2+)和亚甲基蓝的吸附能力都较差。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明的首要目的在于提供一种生物质体相炭材料的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种生物质体相炭及其应用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种生物质体相炭材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将芭蕉科植物的废弃物切成小块，在阳光下晾晒去除表面水分，再放入恒温干燥箱中进一步去除水分；
(2)将芭蕉科植物废弃物小块浸渍于一定浓度碱溶液中，然后通过真空浸渍或超声处理，待反应结束后，将碱处理后的芭蕉科植物废弃物小块进行洗涤和干燥；
(3)将碱处理后的芭蕉科植物废弃物小块置于坩埚，放置在管式炉中，在氮气条件下高温煅烧；将碳化所得样品切割成适宜的大小，得到生物质体相炭材料。
优选地，所述蕉科植物的废弃物包括芭蕉或香蕉的杆或茎叶。所述芭蕉科植物的废弃物直接切块干燥备用即可，无需通过研磨成粉，块体原料不仅备料简单且保持了芭蕉天然的物质传输多孔结构。所得生物质体相炭材料可以通过切割得到任意大小的块体炭，用于后续应用。
杂原子掺杂有助于调整生物质炭的物理化学性质，赋予生物炭独特的电子特性和丰富的表面官能团，增加生物炭与重金属结合的活性位点，进而提高其吸附性能。本发明得益于芭蕉自身丰富的杂原子，使得生物质体相炭材料具有更多含氧官能团、更强的阳离子交换能力与金属结合能力，在保证生物质炭回收再利用的同时，还能显著提高了吸附能力。
本发明创新地利用植物的自支撑结构，以及其天然的有序多孔结构，制备具有分级多孔结构的体相炭材料。生物质体相炭材料不仅具备了生物质炭自身的优点，且具有天然的自支撑三维结构以及分级多孔结构，使用后易于回收。
本发明以资源丰富且杂原子含量丰富的芭蕉科植物的废弃物(杆或茎叶等)为原料，通过碱处理-碳化制备生物质体相炭材料。该生物质体相炭材料具有天然的自支撑三维结构以及分级多孔结构，丰富的杂原子掺杂量，可用于环境修复领域(如水体中重金属和有机染料的吸附)，且通过简单的打捞即可将生物质体相炭从修复完成的水体中分离，回收方法简单可行。
优选地，步骤(1)和(2)中所述干燥的温度为50～100℃，干燥时间为4～24h。进一步优选的，干燥温度为60℃，干燥时间为12h。
不同于粉末状材料，本发明使用的蕉科植物的废弃物小块内部结构存在间隔、表层存在薄膜层、材质比较紧密等，因此不利于后续碳化处理获得大比表面积的活性炭材料。本发明创造地通过碱液处理蕉科植物的废弃物小块，去除芭蕉中的部分半纤维素和木质素，破坏芭蕉的细胞壁结构，使原本紧密的结构变得疏松，进而有利于后续碳化得到孔隙结构更丰富的炭材料。通过真空浸渍或超声处理的方式可以使碱处理过程更为均匀高效。优选地，步骤(2)中的碱液为NaOH、KOH、K2CO3、KHCO3溶液中的一种或几种混合，碱液的质量浓度为5％～25％，进一步优选，碱液为质量浓度为10％的NaOH溶液。
优选地，步骤(2)中所述真空浸渍处理具体为：将浸泡于碱液中的芭蕉科植物废弃物小块置于真空干燥箱，抽真空至-0.08～-0.1MPa，在25～60℃下进行真空处理2～24h。进一步优选，抽真空至-0.085MPa，在40℃下真空处理12h。
优选地，步骤(2)中所述超声处理具体为：将浸泡于碱液中的芭蕉科植物废弃物小块置于超声波清洗机中，在25～60℃下进行超声处理0.5～12h。进一步优选为在30℃下进行超声处理6h。
优选地，步骤(2)中所述洗涤过程具体为：将碱液处理后的芭蕉科植物废弃物小块取出后置于装有去离子水的容器中，将容器置于摇床中，多次更换去离子水进行洗涤直至中性，随后将洗涤完成的芭蕉科植物废弃物小块置于烘箱中干燥。
优选地，步骤(3)中所述生物质体相炭材料是由生物质原料放置于管式炉中加热、升温、碳化得到；加热过程中持续向管式炉内通入99.9％或以上纯度的氮气；碳化温度为500～900℃，升温速率为1～20℃/min，碳化时间为1～6h。
进一步优选地，步骤(3)中碳化温度为500～700℃。进一步优选地，步骤(3)中碳化温度为600℃。进一步优选地，步骤(3)中所述升温速率为5℃/min，碳化时间为2h。
一种生物质体相炭材料通过上述的方法制备得到。
所述生物质体相炭材料在环境修复领域的应用，包括用于处理农业面源污染、用于处理饮用水污染中重金属和有机染料污染，或用于CO2吸附。
所述生物质体相炭可用于环境修复，例如重金属离子吸附、有机染料吸附、CO2吸附等。通过简单的打捞即可将生物质体相炭从修复完成的水体中分离，回收方法简单可行。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)以芭蕉科植物的废弃物(杆或茎叶等)为前驱体，原料来源广泛且价格低廉，能降低污水治理的成本，为农业废弃物的高值化利用提供一条有效途径。
(2)不同于现有技术中碱或酸作为活化剂与材料一起碳化/活化，本发明通过碱液处理蕉科植物的废弃物小块，去除芭蕉中的部分半纤维素和木质素，破坏芭蕉的细胞壁结构，使原本紧密的结构变得疏松，进而有利于后续碳化得到孔隙结构更丰富的炭材料。通过真空浸渍或超声处理的方式可以使碱处理过程更为均匀高效。
(3)本发明以块体生物质为原料，通过碱处理-碳化制备体相炭材料，制备工艺较简单、步骤少，可实现大规模生产，且炭材料保持自支撑三维结构，并在其天然孔隙结构中形成大量纳米孔。
(4)该方法制得的体相生物质炭具有回收简单、杂原子含量高等优点，表面吸附位点多，吸附能力强，在环境修复领域具有广阔的应用前景。
(5)本发明意外发现除了活性炭的粒径外，碱液处理工艺和碳化温度对吸附性能也有显著影响，本发明制备的生物质体相炭材料，所需碳化温度较低，具有优异的重金属离子吸附性能。其中，Pb2+饱和吸附量可达20.6mg/g；Cd2+饱和吸附可达24.2mg/g；Cu2+饱和吸附量可达20.1mg/g；对CO2的吸附值可达96cc/g。
(6)便于回收。通过简单的打捞即可将生物质体相炭从修复完成的水体中分离，回收方法简单可行。
附图说明
图1为实施例2未碳化之前的样品图；
图2为实施例2经过碳化后的样品图；
图3为实施例2经过碳化后的SEM图；
图4为实施例1、2和3制备的样品(500-CK、600-CK和700-CK)的CO2等温吸附曲线；
图5为实施例1、2、3制备的样品(500-CK、600-CK、700-CK)的重金属吸附量；
图6为实施例1、2、3制备的样品(500-CK、600-CK、700-CK)的亚甲基蓝吸附量；
图7为实施例2的体相碳以及粉末碳的回收率对比；
图8为实施例2的体相碳在水处理前后的样品图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
以下实施例及对比例所用化学试剂均为市购
芭蕉科植物的废弃物来源于增城区朱村镇农业基地。由于芭蕉和香蕉的杆或茎叶具有相似度高，以下实施例及对比例芭蕉科植物的废弃物采用芭蕉树杆。
芭蕉树杆的预处理：将树杆切割成短茎，在阳光下晾晒72h去除表面水分，将晾晒后的芭蕉茎块收集备用。
以下实施例及对比例采用的重金属离子吸附实验
铅的吸附实验：用硝酸铅配制质量浓度为1000mg/L的含有Pb2+溶液进行稀释，分别量取50mL浓度为100mg/L、200mg/L、400mg/L、600mg/L、800mg/L和1000mg/L的Pb2+溶液于离心管中，加入0.1g生物质炭，之后将离心管放入培养箱中，在30℃、200r/min条件下振荡5h。对完成吸附实验的样品取样、过微孔水系滤膜，得到含Pb2+的清液，然后采用吸收光度计测定滤液中Pb2+的浓度。常用的吸附平衡模型为Langmuir吸附模型与Freundlich吸附模型，公式如下：Langmuir方程：Qe＝bQmCe/(1+bCe)Freundlich方程：lnQe＝ln Kf+(lnCe)/n其中，Ce为吸附平衡时溶液中Pb2+的浓度(mg/L)；Qe为吸附平衡时的吸附量(mg/g)；Qm为最大吸附量(mg/g)；b为表征吸附剂与吸附质之间的亲和力的一个参数(L/mg)；Kf为Freundlich吸附容量(mg/g)；n为Freundlich常数。
镉的吸附试验：用氯化镉配制质量浓度为1000mg/L的含有Cd2+溶液进行稀释，分别取50mL浓度为10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L、60mg/L和80mg/L的Cd2+溶液于离心管中，后续操作与Pb2+的吸附实验相同。
铜的吸附试验：用氯化铜配制质量浓度为1000mg/L的含有Cu2+溶液进行稀释，分别取50mL浓度为20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L和150mg/L的Cu2+溶液于离心管中，后续操作与Pb2+的吸附实验相同。
以下实施例及对比例采用的有机染料吸附实验
分别取0.1g生物炭置于离心管中，加入40mL亚甲基蓝液，在25℃、150r/min条件下振荡5h，取出静置10min，取上清液过PTFE针式滤器，在481nm(或670nm)处使用分光光度计分别测定日落黄和亚甲基蓝浓度。常用的吸附平衡模型为Langmuir吸附模型与Freundlich吸附模型，公式如下：Langmuir方程：Qe＝bQmCe/(1+bCe)Freundlich方程：lnQe＝ln Kf+(lnCe)/n其中，Ce为吸附平衡时亚甲基蓝或日落黄溶液的浓度(mg/L)；Qe为吸附平衡时的吸附量(mg/g)；Qm为最大吸附量(mg/g)；b为表征吸附剂与吸附质之间的亲和力的一个参数(L/mg)，Kf为Freundlich吸附容量(mg/g)，n为Freundlich常数。
实施例1
一种生物质体相炭材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将收集的芭蕉茎块放入60℃的恒温烘箱中干燥12h，进一步去除水分。
(2)将一定量的芭蕉茎块放入质量浓度为10％的NaOH溶液中，并置于超声清洗机中，在30℃下超声处理6h。超声处理结束后，将芭蕉茎块取出，随后浸泡在去离子水中并置于恒温摇床进行清洗，反复多次换水直至去离子水为中性。将洗涤后的样品置于60℃烘箱中干燥12h。
(3)将碱处理并干燥后的芭蕉茎块放入坩埚中，将坩埚置于管式炉中，通入99.9％或以上纯度的氮气，以5℃/min的升温速率加热至500℃碳化2h，得到生物质体相炭材料，命名为500-CK。
500-CK样品对重金属离子(Pb2+、Cd2+和Cu2+)和亚甲基蓝的吸附能力如图5和6所示。
500-CK样品对CO2的吸附值可达50cc/g(图4)；
同时，具有优异的吸附重金属性能，Pb2+饱和吸附量可达16.5mg/g；Cd2+饱和吸附可达15.1mg/g；Cu2+饱和吸附量可达18.7mg/g(图5)；
对亚甲基蓝的吸附也达到了9.9mg/g(图6)。
实施例2
一种生物质体相炭材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将收集的芭蕉茎块放入60℃的恒温烘箱中干燥12h，进一步去除水分。
(2)将一定量的芭蕉茎块放入质量浓度为10％的NaOH溶液中，并置于真空干燥箱中，抽真空至-0.085MPa，在40℃下真空处理12h。真空浸渍处理结束后，将芭蕉茎块取出，随后浸泡在去离子水中并置于恒温摇床进行清洗，反复多次换水直至去离子水为中性。将洗涤后的样品置于60℃烘箱中干燥12h。
(3)将碱处理并干燥后的芭蕉茎块放入坩埚中，将坩埚置于管式炉中，通入99.9％或以上纯度氮气，以5℃/min的升温速率加热至600℃碳化2h，得到生物质体相炭材料，命名为600-CK。
碳化前后的块状芭蕉如图1和2所示。600-CK的微观结构如图3所示，保持了芭蕉天然的有序多孔结构，通过氮气吸脱附测试得到的比表面积为854.5m2/g。
从元素分析可以得到，样品具有丰富的杂原子掺杂量，N含量为3.3wt％，P含量为6.088wt％，S含量为8.694wt％。
该样品对CO2的吸附值可达96.0cc/g(图4)；
同时具有优异的吸附重金属性能，Pb2+饱和吸附量可达22.1mg/g；Cd2+饱和吸附可达26.0mg/g；Cu2+饱和吸附量可达23.1mg/g(图5)；
对亚甲基蓝的吸附也达到了20.0mg/g(图6)；
此外，如图7和8所示，在水体中吸附污染物后，块体材料仍具有良好的整体性，可通过打捞进行回收，回收率可达90％以上，显著优于通过粉末碳化制备的生物质炭材料。
实施例3
一种生物质体相炭材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将收集的芭蕉茎块放入60℃的恒温烘箱中干燥12h，进一步去除水分。
(2)将一定量的芭蕉茎块放入质量浓度为10％的NaOH溶液中，并置于真空干燥箱中，抽真空至-0.085MPa，在40℃下真空处理12h。真空浸渍处理结束后，将芭蕉茎块取出，随后浸泡在去离子水中并置于恒温摇床进行清洗，反复多次换水直至去离子水为中性。将洗涤后的样品置于60℃烘箱中干燥12h。
(3)将碱处理并干燥后的芭蕉茎块放入坩埚中，将坩埚置于管式炉中，通入99.9％或以上纯度氮气，以5℃/min的升温速率加热至700℃碳化2h，得到生物质体相炭材料，命名为700-CK。
将700-CK样品用于重金属离子和亚甲基蓝吸附，700-CK样品对重金属离子(Pb2+、Cd2+和Cu2+)和亚甲基蓝的吸附能力如图5和6所示。
700-CK样品对CO2的吸附值可达80.5cc/g(图4)；
同时，具有优异的吸附重金属性能，Pb2+饱和吸附量可达15.1mg/g；Cd2+饱和吸附可达17.1mg/g；Cu2+饱和吸附量可达18.2mg/g(图5)；对亚甲基蓝的吸附也达到了16.9mg/g(图6)。
实施例4～5
实施例4～5的制备方法与实施例1相似，不同之处在于如表1所示。
表1实施例4～5的工艺参数
将实施例4～5制得的生物质体相炭材料样品用于重金属离子和亚甲基蓝吸附，生物质体相炭材料样品对重金属离子(Pb2+、Cd2+和Cu2+)和亚甲基蓝的吸附能力优异。
实施例4生物质体相炭材料样品具有优异的吸附重金属性能，Pb2+饱和吸附量可达14.6mg/g；Cd2+饱和吸附可达15.9mg/g；Cu2+饱和吸附量可达16.3mg/g；对亚甲基蓝的吸附也达到了12.5mg/g。
实施例5生物质体相炭材料样品具有优异的吸附重金属性能，Pb2+饱和吸附量可达14.3mg/g；Cd2+饱和吸附可达13.4mg/g；Cu2+饱和吸附量可达14.8mg/g；对亚甲基蓝的吸附也达到了13.3mg/g。
实施例6～7
实施例6～7的制备方法与实施例2相似，不同之处在于如表2所示。
表2实施例6～7的工艺参数
| 工艺条件 | 实施例6 | 实施例7 |
| 干燥的温度/时间 | 50℃/24h | 100℃/4h |
| 碱液/浓度 | KOH溶液/5％ | KHCO3溶液/25％ |
| 真空浸渍条件 | -0.1MPa/25℃/12h | -0.08MPa/60℃/2h |
| 碳化温度 | 750℃ | 850℃ |
| 升温速率 | 10℃/min | 15℃/min |
| 碳化时间 | 5h | 3h |
将实施例6～7制得的生物质体相炭材料样品用于重金属离子和亚甲基蓝吸附，生物质体相炭材料样品对重金属离子(Pb2+、Cd2+和Cu2+)和亚甲基蓝的吸附能力优异。
实施例6生物质体相炭材料样品具有优异的吸附重金属性能，Pb2+饱和吸附量可达14.5mg/g；Cd2+饱和吸附可达16.6mg/g；Cu2+饱和吸附量可达16.1mg/g；对亚甲基蓝的吸附也达到了14.7mg/g。
实施例7生物质体相炭材料样品具有优异的吸附重金属性能，Pb2+饱和吸附量可达14.8mg/g；Cd2+饱和吸附可达15.9mg/g；Cu2+饱和吸附量可达15.1mg/g；对亚甲基蓝的吸附也达到了14.4mg/g。
对比例1
对比例1芭蕉茎块不进行碱液处理，直接通过碳化得到，碳化条件与实施例2相同。
(1)将收集的芭蕉茎块放入60℃的恒温烘箱中干燥12h，进一步去除水分。
(2)干燥后的芭蕉茎块直接放入坩埚中，将坩埚置于管式炉中，通入99.9％或以上纯度氮气，以5℃/min的升温速率加热至600℃碳化2h。
该生物质体相炭材料样品对Pb2+饱和吸附量为5.1mg/g；Cd2+饱和吸附为5.4mg/g；Cu2+饱和吸附量为6.2mg/g；对亚甲基蓝的吸附为7.5mg/g。
对比例2
对比例2与实施例2的不同之处在于芭蕉茎块先经过碳化后，再与碱液进行浸渍处理等，具体包括以下步骤：
(1)将收集的芭蕉茎块放入60℃的恒温烘箱中干燥12h，进一步去除水分。
(3)将干燥后的芭蕉茎块放入坩埚中，将坩埚置于管式炉中，通入99.9％或以上纯度氮气，以5℃/min的升温速率加热至600℃碳化2h，得到碳材料；
(3)将一定量的碳材料放入质量浓度为10％的NaOH溶液中，并置于真空干燥箱中，抽真空至-0.085MPa，在40℃下真空处理12h。真空浸渍处理结束后，将碳材料取出，随后浸泡在去离子水中并置于恒温摇床进行清洗，反复多次换水直至去离子水为中性。将洗涤后的样品置于60℃烘箱中干燥12h，得到生物质体相炭材料。
该生物质炭材料样品对Pb2+饱和吸附量为6.4mg/g；Cd2+饱和吸附为7.1mg/g；Cu2+饱和吸附量为6.9mg/g；对亚甲基蓝的吸附为7.9mg/g。
对比例3
对比例3与实施例2的主要区别在于使用芭蕉粉末作为材料，具体的制备方法包括以下步骤：
(1)将收集的芭蕉茎块放入60℃的恒温烘箱中干燥12h，进一步去除水分，然后放入小型粉碎机中粉碎5min，将粉碎所得芭蕉粉末收集待用。
(2)将一定量的芭蕉粉末放入质量浓度为10％的NaOH溶液中，并置于真空干燥箱中，抽真空至-0.085MPa，在40℃下真空处理12h。真空浸渍处理结束后，将芭蕉粉末取出，随后浸泡在去离子水中并置于恒温摇床进行清洗，反复多次换水直至去离子水为中性。将洗涤后的样品置于60℃烘箱中干燥12h。
(3)将碱处理并干燥后的芭蕉粉末放入坩埚中，将坩埚置于管式炉中，通入99.9％或以上纯度氮气，以5℃/min的升温速率加热至600℃碳化2h，得到生物质粉末炭材料。
该生物质炭材料样品对Pb2+饱和吸附量可达20.1mg/g；Cd2+饱和吸附可达23.9mg/g；Cu2+饱和吸附量可达22.8mg/g；对亚甲基蓝的吸附也达到了18.7mg/g。但由于对比例3为粉末样品，在水体中吸附污染物后难以通过打捞回收，回收率仅为20％。
对比例4
对比例4与实施例2的主要区别在于步骤(2)仅采用常规浸渍，而不使用真空浸渍或超声处理等，具体的制备方法包括以下步骤：
(1)将收集的芭蕉茎块放入60℃的恒温烘箱中干燥12h，进一步去除水分。
(2)将一定量的芭蕉茎块放入质量浓度为10％的NaOH溶液中，在常温下浸渍12h后，将芭蕉茎块取出，随后浸泡在去离子水中并置于恒温摇床进行清洗，反复多次换水直至去离子水为中性。将洗涤后的样品置于60℃烘箱中干燥12h。
(3)将碱处理并干燥后的芭蕉茎块放入坩埚中，将坩埚置于管式炉中，通入99.9％或以上纯度氮气，以5℃/min的升温速率加热至600℃碳化2h，得到生物质体相炭材料。
该生物质炭材料样品对Pb2+饱和吸附量可达11.4mg/g；Cd2+饱和吸附可达12.9mg/g；Cu2+饱和吸附量可达10.8mg/g；对亚甲基蓝的吸附也达到了11.8mg/g。
对比例5
对比例5与实施例2的主要区别在于使用芭蕉粉末作为材料，与碱混合研磨后一起碳化，具体的制备方法包括以下步骤：
取10g芭蕉粉末和10g KOH研磨混合均匀后，放入坩埚中，将坩埚置于管式炉中，通入氮气，以5℃/min的升温速率加热至600℃碳化2h。
将所得炭材料用1mol/L的HCl溶液洗涤2h，再用去离子水洗涤直到pH＝7，将洗涤后样品置于60℃烘箱烘干，得到生物质粉末炭材料。
该生物质炭材料样品对Pb2+饱和吸附量可达15.1mg/g；Cd2+饱和吸附可达16.3mg/g；Cu2+饱和吸附量可达16.7mg/g；对亚甲基蓝的吸附也达到了15.7mg/g。但由于对比例5为粉末样品，在水体中吸附污染物后难以通过打捞回收，回收率仅为18％。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种生物质体相炭材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将芭蕉科植物的废弃物切成小块，在阳光下晾晒去除表面水分，再放入恒温干燥箱中进一步去除水分；
(2)将芭蕉科植物废弃物小块浸渍于碱溶液中，然后通过真空浸渍或超声处理，待反应结束后，将碱处理后的芭蕉科植物废弃物小块进行洗涤和干燥；
(3)将碱处理后的芭蕉科植物废弃物小块置于坩埚，放置在管式炉中，在氮气条件下高温煅烧；将碳化所得样品切割成适宜的大小，得到生物质体相炭材料；
步骤(2)中的碱液为NaOH、KOH、K2CO3、KHCO3溶液中的一种或几种混合，所述碱液的质量浓度为5％～25％；
步骤(2)中所述真空浸渍处理具体为：将浸渍于碱液中的芭蕉科植物废弃物小块放置于真空干燥箱，抽真空至-0.08～-0.1MPa，在25～60℃下进行真空处理2～24h；
步骤(2)中所述超声处理具体为：将浸渍于碱液中的芭蕉科植物废弃物小块置于超声波清洗机中，在25～60℃下进行超声处理0.5～12h；
步骤中(3)所述生物质体相炭材料是由生物质原料放置于管式炉中加热、升温、碳化得到；加热过程中持续向管式炉内通入99.9％或以上纯度的氮气；碳化温度为500～900℃，升温速率为1～20℃/mi/，碳化时间为1～6h。
2.根据权利要求1所述生物质体相炭材料的制备方法，其特征在于，芭蕉科植物的废弃物包括芭蕉或香蕉的杆或茎叶。
3.根据权利要求1所述生物质体相炭材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)和(2)中所述干燥的温度为50～100℃，干燥时间为4～24h。
4.根据权利要求1所述生物质体相炭材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述洗涤过程具体为：将碱液处理后的芭蕉科植物废弃物小块取出后置于装有去离子水的容器中，将容器置于摇床中，多次更换去离子水进行洗涤直至中性，随后将洗涤完成的芭蕉科植物废弃物小块置于烘箱中干燥。
5.一种生物质体相炭材料，其特征在于，通过权利要求1～4任一项所述方法制备得到。
6.根据权利要求5所述生物质体相炭材料在环境修复领域的应用，其特征在于，包括用于处理饮用水污染中重金属或有机染料污染；或用于CO2吸附。
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20060022872A (ko) * | 2004-09-08 | 2006-03-13 | 주식회사 포스코 | 폐타이어를 이용한 활성탄 제조방법 |
| CN103904328A (zh) * | 2014-04-01 | 2014-07-02 | 华南师范大学 | 一种生物质片层碳材料的制备方法及其应用 |
| CN104923153A (zh) * | 2015-05-07 | 2015-09-23 | 浙江大学 | 能同时吸附氨氮、镉的美人蕉生物炭的制备方法 |
| WO2017208250A1 (en) * | 2016-06-01 | 2017-12-07 | Council Of Scientific And Industrial Research | A method for production of potash enriched biochar from waste biomass |
| CN109609154A (zh) * | 2019-01-08 | 2019-04-12 | 天津理工大学 | 一种基于生物质废弃物资源化利用的三维sp2杂化炭材料的制备和应用 |
| CN111362250A (zh) * | 2020-03-16 | 2020-07-03 | 四川大学 | 高比电容超厚生物炭、生物炭单片电极及生物炭复合电极 |
| CN111410973A (zh) * | 2019-01-08 | 2020-07-14 | 湖南农业大学 | 一种调控生物炭形貌结构的方法 |
| CN113215683A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-08-06 | 南通大学 | 一种芭蕉芯基螺旋型活性炭纤维及其活化方法 |
| CN113603180A (zh) * | 2021-08-18 | 2021-11-05 | 广州大学 | 生物炭的制备及其在含铊废水中的应用 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6602298B2 (ja) * | 2013-11-22 | 2019-11-06 | ザ ユニバーシティー オブ クイーンズランド | ナノセルロース |
-
2022
- 2022-11-16 CN CN202211435139.XA patent/CN115818639B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20060022872A (ko) * | 2004-09-08 | 2006-03-13 | 주식회사 포스코 | 폐타이어를 이용한 활성탄 제조방법 |
| CN103904328A (zh) * | 2014-04-01 | 2014-07-02 | 华南师范大学 | 一种生物质片层碳材料的制备方法及其应用 |
| CN104923153A (zh) * | 2015-05-07 | 2015-09-23 | 浙江大学 | 能同时吸附氨氮、镉的美人蕉生物炭的制备方法 |
| WO2017208250A1 (en) * | 2016-06-01 | 2017-12-07 | Council Of Scientific And Industrial Research | A method for production of potash enriched biochar from waste biomass |
| CN109609154A (zh) * | 2019-01-08 | 2019-04-12 | 天津理工大学 | 一种基于生物质废弃物资源化利用的三维sp2杂化炭材料的制备和应用 |
| CN111410973A (zh) * | 2019-01-08 | 2020-07-14 | 湖南农业大学 | 一种调控生物炭形貌结构的方法 |
| CN111362250A (zh) * | 2020-03-16 | 2020-07-03 | 四川大学 | 高比电容超厚生物炭、生物炭单片电极及生物炭复合电极 |
| CN113215683A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-08-06 | 南通大学 | 一种芭蕉芯基螺旋型活性炭纤维及其活化方法 |
| CN113603180A (zh) * | 2021-08-18 | 2021-11-05 | 广州大学 | 生物炭的制备及其在含铊废水中的应用 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 农村生活污水处理湿地技术与生物质能技术综合研究;Raana Fahim;中国博士学位论文全文数据库;全文 * |
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