[發(fā)明專利]一種氨基修飾的鳳眼藍(lán)生物炭材料、制備方法及其應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711433134.2
• 申請(qǐng)日: 2017-12-26
• 公開（公告）號(hào): CN107837788A
• 公開（公告）日: 2018-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊艷菊;張海鵬;王娟娟;錢曉晴;柯帥;朱紫娟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 揚(yáng)州大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J20/20
• 分類號(hào): B01J20/20;B01J20/30;C02F1/28;C02F1/48;C02F101/10
• 代理公司: 揚(yáng)州市錦江專利事務(wù)所32106
• 代理人: 江平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及吸附去除水體中磷的生物炭材料的制備及應(yīng)用技術(shù)。

背景技術(shù)

由于我國大多數(shù)農(nóng)業(yè)土壤中有效磷的含量較低，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需施用大量的磷肥來提高作物產(chǎn)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年我國磷肥總產(chǎn)量達(dá)到2470萬噸，其中農(nóng)業(yè)施用量占磷肥總產(chǎn)量的96%以上。然而由于過量的施用磷肥，農(nóng)業(yè)土壤中有效磷含量急劇上升，受灌溉、降雨等因素影響，土壤中過量的磷酸鹽會(huì)隨水流進(jìn)入環(huán)境水體，造成水體富營養(yǎng)化。同時(shí)，磷礦的開采利用、含磷農(nóng)藥的施用、含磷洗滌劑的生產(chǎn)使用等也會(huì)產(chǎn)生大量的含磷廢水，這些廢水進(jìn)入環(huán)境中進(jìn)一步加劇了水體富營養(yǎng)化，嚴(yán)重破壞了水生生態(tài)系統(tǒng)。因此，研究如何有效去除水體中過量的磷素一直是環(huán)境領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

目前，用來去除水體中過量磷素的方法有很多，主要包括吸附法、離子交換法、膜分離法、生物法、化學(xué)沉淀法等。其中，吸附法由于占地面積小、工藝簡單、操作方便、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，特別是在低濃度含磷廢水的處理中，更具成本優(yōu)勢。吸附法的關(guān)鍵是吸附劑的選擇。因此，尋找優(yōu)秀的、新的吸附劑是磷吸附處理的熱點(diǎn)。已有研究報(bào)道了利用活性炭、樹脂、粘土礦物、金屬氧化物等吸附劑吸附去除水體中的磷，但由于這些吸附劑受限于成本較高、吸附效率較低等因素而不能廣泛應(yīng)用。生物炭由于其較低的制備成本且具有豐富的孔道結(jié)構(gòu)，已經(jīng)被廣泛用來吸附去除水體和土壤中的污染物。利用農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物炭吸附劑的研究也有不少，但多是簡單將農(nóng)業(yè)廢棄物在厭氧條件下熱解制備而成。這種條件下制備的生物炭吸附劑由于具有較低的等電點(diǎn)，在水溶液中表面帶有大量的負(fù)電荷，容易與磷酸根產(chǎn)生靜電排斥作用而導(dǎo)致吸附效率較差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種氨基修飾的鳳眼藍(lán)生物炭材料，以期其在水溶液中帶有正電荷，并通過靜電引力吸附水體中的磷，達(dá)到低成本、高效去除水體中磷的目的。

本發(fā)明氨基修飾的鳳眼藍(lán)生物炭材料的特征是在鳳眼藍(lán)生物炭材料表面修飾氨基。

基于已有生物炭吸附劑的研究進(jìn)展，本發(fā)明首先利用鳳眼藍(lán)熱解制備生物炭，然后對(duì)其表面進(jìn)行修飾，將氨基修飾至鳳眼藍(lán)生物炭吸附劑表面，以提高鳳眼藍(lán)生物炭的等電點(diǎn)，使其在水溶液中帶有正電荷，并通過靜電引力吸附水體中的磷，達(dá)到低成本、高效去除水體中磷的目的。

在真實(shí)環(huán)境水體中，磷的濃度并不高，一般為3～15mg/L，增加鳳眼藍(lán)生物炭材料中氮的質(zhì)量雖然能夠提高吸附容量，但對(duì)吸附去除效果的提升較小，相對(duì)的提高了材料的制備成本和處理成本；若降低鳳眼藍(lán)生物炭材料中的氮質(zhì)量，則會(huì)降低對(duì)水體中磷的吸附去除效果。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該氮質(zhì)量不僅能夠有效降低材料制備的成本，并能保證所制備材料對(duì)水體中磷的吸附效果。因此，本發(fā)明中所述氨基修飾的鳳眼藍(lán)生物炭材料中氮質(zhì)量含量為6.44%。

本發(fā)明第二目的是提出以上氨基修飾的鳳眼藍(lán)生物炭材料的制備方法。

將鳳眼藍(lán)生物炭材料超聲分散在甲苯中，在攪拌條件下加入3-氨丙基三甲氧基硅烷，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在110℃油浴鍋中攪拌反應(yīng)，取反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過過濾后，用乙醇和丙酮洗滌，再用去離子水洗滌后，在50℃下烘干，得氨基修飾的鳳眼藍(lán)生物炭材料。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明方法采用氨基修飾的鳳眼藍(lán)生物炭材料處理水體中的磷酸根離子具有顯著的效果，通過將氨基修飾在鳳眼藍(lán)生物炭材料表面，顯著提高了鳳眼藍(lán)生物炭吸附劑的吸附效率。

2、本發(fā)明將氨基修飾在鳳眼藍(lán)生物炭材料表面，能夠顯著提高鳳眼藍(lán)生物炭吸附劑的吸附容量。

3、本發(fā)明操作簡單，材料價(jià)格便宜，去除效果顯著，吸附劑可再生、循環(huán)利用，無二次污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述鳳眼藍(lán)生物炭材料的制備方法是：將干燥的鳳眼藍(lán)經(jīng)高溫碳燒后取得鳳眼藍(lán)生物炭材料。鳳眼藍(lán)生物炭材料采用以鳳眼藍(lán)為生物炭來源制備而成，該制備方法的優(yōu)點(diǎn)是：首先，鳳眼藍(lán)廣泛分布于世界各地，為漂浮型多年生水生草本植物，適應(yīng)性極強(qiáng)，能夠保證作為生物炭材料的穩(wěn)定來源；其次，鳳眼藍(lán)被列為我國的第一批外來入侵物種名單，當(dāng)鳳眼藍(lán)入侵自然水體后，能夠快速繁殖，成片生長，不僅會(huì)阻塞河道，影響水上運(yùn)輸和農(nóng)田灌溉，還會(huì)與水體中的土著水生生物爭奪光照、養(yǎng)分和生長空間，嚴(yán)重威脅我國水體的生物多樣性，采用鳳眼藍(lán)為生物炭材料則能夠有效減少其造成的環(huán)境危害并變害為寶。

所述鳳眼藍(lán)生物炭材料與甲苯的投料比為20g∶1L。可以保證鳳眼藍(lán)生物炭材料能夠高度分散在甲苯溶液中，有利于所修飾的氨基官能團(tuán)在鳳眼藍(lán)生物炭材料表面分布均勻，提高所制備吸附材料的均一性。