[發明專利]一種海藻酸鈉-鈣離子改性的生物炭復合材料及其制備方法與用途

在審

• 申請號: 201711281975.6
• 申請日: 2017-12-07
• 公開（公告）號: CN107983314A
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 鄧佳欽;李曉東;劉云國;梁婕;曾光明;魏雪;陳緒武;袁新亮;徐婉君
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: B01J20/24
• 分類號: B01J20/24;B01J20/30;C02F1/28;C02F101/20
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技術領域

本發明屬于環境功能材料和水處理新技術領域，具體涉及一種海藻酸鈉-鈣離子改性的生物炭復合材料及其制備方法與用途。

背景技術

重金屬向水體的排放對環境生態系統的危害巨大。隨著工業的迅速發展，大量的重金屬排放到水體中，這些重金屬污染物不可降解、并對人類和動物具有毒性作用。因此探索一種經濟高效的用于重金屬處理的技術非常必要。一般的重金屬廢水處理方法有吸附、化學沉淀、離子交換、反滲透等。其中，吸附是一種操作簡單，成本低，且處理污染物較為高效的技術，在實際的污染廢水治理中已有應用。生物炭作為吸附法中一種新興的吸附材料，具有原材料豐富、價格低廉和固碳等優點，但生物炭對染料的吸附效率有限。因此，研究開發新型的以生物炭為基質、低價和高效的復合材料，已經成為生物炭用于水處理的發展和應用中的一個關鍵性科學技術問題。

生物炭是生物質在無氧或缺氧的條件下熱解產生的含碳量較高的固體材料，其原材料主要來自于農業廢棄物、固體廢物、污泥等。同時，生物炭具有比較好的孔隙結構和豐富的表面官能團。因此，生物炭具有去除廢水中污染物的潛力。然而，生物炭的性質受其原材料和熱解條件的影響很大，未經改性或者功能化修飾的生物炭具有有限的吸附位點，限制了其在實際廢水處理中的應用。鈣離子改性可以改變生物炭的孔隙結構和礦物組成，并增加生物炭表面的含氧官能團。而海藻酸鈉上含有大量的羧基和羥基，有利于重金屬的吸附，并且海藻酸鈉可以與鈣離子發生交聯反應，從而負載到生物炭上。通過適當的方法將鈣離子和海藻酸鈉負載到生物炭上，制成復合材料，能夠豐富其表面吸附位點，提高生物炭對重金屬的去除能力。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：針對現有技術存在的技術問題，開發一種低價、高效的可用于吸附處理重金屬污染物的鈣離子和海藻酸鈉改性的生物炭復合材料。

本發明提出的一種海藻酸鈉-鈣離子改性的生物炭復合材料的制備方法，是將氯化鈣和海藻酸鈉對生物炭進行功能化處理，這樣制備的吸附劑可通過鈣離子和海藻酸鈉組裝在生物炭表面，增加生物炭表面的吸附位點數量，具體步驟如下：

(1)將生物質原材料用去離子水清洗，然后在70℃下烘干24小時，將烘干后的生物質粉碎，并過2mm篩得到生物質粉末；

(2)將15.0的CaCl₂·2H₂O加入到200mL的超純水中，再將步驟(1)得到的10.0g生物質粉末加入到該溶液中，混合懸液以150轉/分鐘的速度在振蕩箱中振蕩24小時得到生物質懸液；

(3)將步驟(2)中得到的生物質懸液過濾后取濾渣放置于烘箱中，在80℃下烘24小時得到負載鈣離子的干燥生物質粉末；

(4)將步驟(3)中得到的負載鈣離子的干燥生物質粉末放入管式氣氛爐中熱解燒制，熱解過程中保持氣氛爐的石英管密封，同時向管內以400mL/min的流速通入N₂，以此來保持整個熱解過程的厭氧條件，管式爐的升溫程序設定為：從室溫以5℃/min的升溫速率加熱上升到600℃，并在此溫度條件下持續熱解2小時，然后開始自然降溫過程，在降溫過程中保持N₂以相同流速持續通入，冷卻到室溫后取出得到負載鈣離子的生物炭。

(5)將3％的步驟(4)中得到的負載鈣離子的生物炭與2％的海藻酸鈉溶液混合，并靜置30分鐘，用去離子水清洗后在60℃下烘干24小時即得到所述復合材料。

上述制備方法中，生物炭的原材料選用農業廢棄物、固體廢物、污泥等生物質。

上述制備方法中，二水氯化鈣和生物質的質量比為3：2。

上述制備方法中，負載鈣離子的生物炭和海藻酸鈉的混合比例為3：2。

上述制備方法中，管式爐的升溫速率為5℃/min，最高溫度為600℃，并在此溫度條件下持續熱解2小時。

利用本發明方法制備得到的海藻酸鈉-鈣離子改性生物炭復合材料去除廢水中的重金屬。

與現有技術相比，本發明的優點在于：

1.生物炭的原料來源廣泛，且價格低廉，主要原料為農業廢棄物、固體廢物、污泥等生物質；使用的化學藥品二水氯化鈣和海藻酸鈉等是常用的化工產品。

2.本發明的海藻酸鈉-鈣離子改性生物炭復合材料的制備工藝及操作簡單，制備快速，生產周期短，不需要特殊的化工設備，易于實現工業化生產。

3.產品無毒，對環境友好。

4.本發明的海藻酸鈉-鈣離子改性生物炭復合材料對水體鉛離子的去除效率高。

附圖說明