[發明專利]一種重金屬銅和鎘生物炭吸附劑的制備方法及其產品

在審

• 申請號: 201410501176.5
• 申請日: 2014-09-26
• 公開（公告）號: CN104226250A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 沈飛;王章鴻;郭海燕;楊剛;彭宏;張延宗;鄧仕槐;伍鈞
• 申請（專利權）人: 四川農業大學
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/28;B01J20/30;C02F1/28;C02F1/62
• 代理公司: 北京國林貿知識產權代理有限公司 11001
• 代理人: 胡琳梅

技術領域

本發明涉及生物炭吸附劑制備技術領域，具體涉及一種重金屬銅和鎘生物炭吸附劑的制備方法及其產品。

背景技術

長期以來，污染水體的治理備受關注。重金屬污染的水體治理是其中重點關注的內容之一。其中，銅和鎘是重金屬廢水中常見的元素，且存在容易富集、毒性強等特點，當人體對銅和鎘的攝入量超標時，將會造成人體血紅蛋白變性，發生溶血性貧血；引起肝損傷，導致慢性、活動性肝炎；引起腦神經組織病變，出現小腦引動時常和帕金森綜合癥；引發腎功能衰竭和尿毒癥等，其環境危害不容小覷、亟待解決。目前，對重金屬污染水體的治理辦法通常有氣浮法、化學沉淀法、離子交換法和吸附法。其中，吸附法因具有操作簡單和環境影響小的優點，引起人們的重視。

目前采用的重金屬吸附劑主要有無機活性炭吸附劑和有機材料吸附劑。CN?101716491公布了一種利用湖泊底泥炭化制備重金屬吸附劑的方法，該方法制備的吸附劑是湖泊底泥經烘干、活化（物理和化學方法）、炭化、清洗（鹽酸和去離子水）及研磨所得到，工藝極其繁瑣，且這個過程中消耗大量磷酸和鹽酸，增加生產成本的同時，又產生大量酸性廢液。CN?102389776公布了一種金屬吸附劑，該吸附劑是以經過表面活性劑改性的無機礦物為載體，負載有機絡合劑制備而得，然而其吸附劑在生產過程中，同樣需要較多成本高昂的原料，不利于大面積使用。CN?103055819公布了一種金屬吸附劑，其重金屬吸附劑是氧化石墨與低聚3-氨丙基三乙氧基硅烷復合物，該方法同樣存在工藝繁瑣、成本高昂的問題。

因此，當下亟待尋求一種制備工藝簡單、成本低廉并對銅和鎘具有良好吸附性能的吸附劑。

發明內容

本發明的目的之一在于針對現有技術的不足，提供一種生產工藝簡單、成本低廉并對重金屬銅和鎘吸附量大、吸附效率高的生物炭吸附劑的制備方法。制備方法包括以下步驟：

（1）將蚯蚓糞便風干，使含水量低于總重量的5%，得到干燥蚯蚓糞便；

（2）將步驟（1）中獲得的干燥蚯蚓糞便，經過研磨、過篩，得到蚯蚓糞便顆粒；

（3）將步驟（2）中所得蚯蚓糞便顆粒置于炭化爐中，以氮氣作為保護氣，進行高溫無氧炭化，得到重金屬銅和鎘生物炭吸附劑。

經過炭化后，蚯蚓糞便中的木質纖維素分解，揮發分減少，固定碳和灰分增加，其中灰分的含量大于70%。與此同時，所得蚯蚓糞便生物炭的pH介于8.9-12.4之間，遠遠大于蚯蚓糞便原先的pH（pH值為7.8）和大部分生物炭的pH。這一方面是因為灰分含量增加，堿金屬和堿土金屬含量亦增加；另一方面是因為生物炭表面堿性官能團增加。

沉淀作用和離子交換作用是去除溶液中重金屬的兩條重要途徑，前者與吸附劑和溶液中pH有關，pH越大，則沉淀作用越重要；后者主要與吸附劑上可交換的離子和表面堿性官能團有關，可交換的離子和表面堿性官能團越多，則離子交換作用越明顯。炭化后的蚯蚓糞便中含有大量鉀、鈉、鈣、鎂等易于離子交換的堿金屬和堿土金屬。

本發明所制備的生物炭灰分含量高，pH大，可交換離子（堿金屬和堿土金屬）豐富，是區別于其他生物炭主要通過高比表面積的孔吸附和豐富表面官能團的配位作用去除重金屬最大的特點。

所述步驟（2）中蚯蚓糞便顆粒的粒徑為0.15-0.45mm，優選為0.20-0.25mm。

當蚯蚓糞便粒徑為0.15-0.20、0.20-0.25mm時，隨著粒徑的增加，生物炭對重金屬的吸附去除能力在不斷增加；當粒徑為0.25-0.30、0.30-0.40、0.40-0.45mm時，隨著粒徑的增加。生物炭對重金屬的吸附去除能力在不斷降低。所以，蚯蚓糞便粒徑為0.20-0.25mm是制備該重金屬銅和鎘生物炭吸附劑的最佳粒徑。原因在于：蚯蚓糞便粒徑過細，炭化過程中揮發分逸出劇烈，大量損失了官能團的同時，所得炭產物的孔道比較粗大，不利于吸附進行。當蚯蚓糞便粒徑過大，炭化很難到達顆粒內部，顆粒內部的揮發分也不宜逸出，孔結構發育較慢，吸附質（重金屬）與炭的接觸面積較小。當粒徑為0.20-0.25mm時，顆粒大小適中，揮發分流出的同時孔結構充分發育，使得生物炭表面具有豐富的官能團，增加吸附質與炭內、外表面吸附點的接觸，從而對重金屬的吸附去除能力較高。

所述高溫無氧炭化時，炭化溫度為400-800℃，優選為700℃。