[發(fā)明專利]一種具備重金屬吸附以及有機(jī)物降解的多功能生物炭的制備方法及其應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910017024.0
• 申請日: 2019-01-08
• 公開（公告）號: CN111408376B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周南;陳歡利;周智;鐘美娥
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B01J23/755
• 分類號: B01J23/755;B01J23/75;B01J23/745;B01J23/34;B01J20/20;B01J20/30;C02F1/28;C02F1/72;C02F101/20;C02F101/30
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 盛武生;魏娟

本發(fā)明屬于重金屬以及有機(jī)污染物廢水處理技術(shù)領(lǐng)域；具體公開了一種具備重金屬吸附以及有機(jī)物降解的多功能生物炭的制備方法，將生物質(zhì)粉、催化金屬源、HPMC和酸的原料溶液在含氧氣氛、100?280℃下熱解，即得。通過本發(fā)明的方法，預(yù)先將包含生物質(zhì)粉、HPMC、催化性金屬源、酸的原料水溶液在含氧氣氛下碳化(非密閉、無氧條件下的水熱碳化)，可以制得具有三維立體結(jié)構(gòu)且具有較大顆粒度，表面修飾有豐富利于重金屬吸附的活性基團(tuán)的碳化產(chǎn)物，不僅如此，還可使催化性金屬離子通過所述的活性基團(tuán)、以及HPMC進(jìn)行原位鍵合，負(fù)載在形成的活性炭網(wǎng)絡(luò)中。通過所述的技術(shù)方案，可以制得兼具重金屬吸附以及有機(jī)污染物催化的多重功能的生物炭。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于重金屬以及有機(jī)污染物廢水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種具備重金屬吸附以及有機(jī)物降解的多功能生物炭的制備方法。

技術(shù)背景：

生物炭是農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)裂解制備的富含有機(jī)碳和礦物質(zhì)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的碳材料。生物炭可用作土壤改良劑、污染環(huán)境修復(fù)、還原劑、肥料緩釋載體及二氧化碳封存劑等。此外，生物炭在一定程度上可為氣候變化、環(huán)境污染和土壤功能退化等全球關(guān)切的熱點(diǎn)問題提供解決方案。

生物碳一方面憑借致密的多孔結(jié)構(gòu)、極大的比表面積等對重金屬進(jìn)行物理吸附，另一方面生物炭憑借多樣的表面活性基團(tuán)和較高的pH等對重金屬進(jìn)行化學(xué)吸附。除此之外，生物炭更是能夠強(qiáng)烈吸附菲、敵草隆等有機(jī)污染物,這些特性使其可作為一種廉價高效的吸附劑而用于有機(jī)污染治理。由此可知，生物炭在土壤和水體中有機(jī)污染物以及重金屬污染控制方面具有巨大的潛力.

生物質(zhì)炭的制備方法可分為熱分解法、微波炭化法及水熱炭化法。水熱炭化是將生物材料的水溶液在密閉的無氧條件下進(jìn)行碳化，如此，可加速生物質(zhì)與溶劑之間的物理化學(xué)作用，分解生物質(zhì)中的碳水化合物結(jié)構(gòu)，最終形成生物質(zhì)炭材料并析出。

例如，公開號為CN107746717A的中國專利文獻(xiàn)公開了一種滸苔水熱液化制備生物炭的方法，以滸苔為原料，制備步驟如下：(1)將滸苔原料80℃下烘干，使其含水率低于5％，然后粉碎，過100目篩子，獲得滸苔粉末；(2)將滸苔粉末放入反應(yīng)釜中并加入去離子水，去離子水浸沒滸苔粉，確保無氧環(huán)境，開啟加熱，溫度由室溫升高至350℃，升溫速率為8℃/min，進(jìn)行水熱反應(yīng)，350℃恒溫反應(yīng)2h；(3)水熱反應(yīng)產(chǎn)物過濾后，利用分析純二氯甲烷、無水乙醇、去離子水和0.5mol/L鹽酸清洗，在80℃下烘干后既制得滸苔水熱生物炭。

另外，現(xiàn)有污染水體的污染物種類繁多，例如大多含有重金屬以及有機(jī)污染物，若吸附材料在具備吸附作用的前提下，還具有一定的有機(jī)污染物的降解功能，將有可能改善水體污染治理。現(xiàn)有技術(shù)中也公開了一些擔(dān)載有金屬離子的生物炭材料。

例如，CN104437361A一種原位擔(dān)載制備功能性生物炭的方法包括以下步驟：(1)將生物質(zhì)原料投放到預(yù)處理溶液中，攪拌浸漬，然后過濾，得到預(yù)處理后的生物質(zhì)原料；所述預(yù)處理溶液是指由摩爾濃度為0.1-0.5mol/L的乙二胺四乙酸二鈉、三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉、焦磷酸鈉、乙二胺四甲叉磷酸鈉溶液中的一種與摩爾濃度為0.5mol/L硫酸溶液等體積混合形成的混合溶液；(2)將所述預(yù)處理后的生物質(zhì)原料投放到擔(dān)載離子溶液中，攪拌浸漬，然后過濾，得到含水和含擔(dān)載離子的生物質(zhì)原料；其中，所述含水和含擔(dān)載離子的生物質(zhì)原料的重量含水率范圍為50-150％；所述擔(dān)載離子溶液是指硫酸鎂、硫酸鐵、硫酸氧鈦、硫酸鋅、硫酸鋁、硫酸鈷、硫酸鎳、硫酸錳、硫酸銅、硫酸鈰、硫酸鐠、硫酸釹、硫酸釤、硫酸銪、硫酸釓、硫酸鋱、硫酸鈥、硫酸镥、硫酸鑭和硫酸鋯中的一種或多種按照任意摩爾比混合后溶于水形成的溶液；(3)將所述含水和含擔(dān)載離子的生物質(zhì)原料以1-3℃/min升溫至100-280℃，保溫0.5-2小時；(4)接著在無氧或限氧氛圍下以10-100℃/min升溫至400-800℃，保溫1-6小時；(5)冷卻后得到功能性生物炭，該功能性生物炭上所擔(dān)載功能性粒子的重量占生物炭重量的5-40％，功能粒子的粒徑為20-500nm。該技術(shù)方案得到的成品生物炭不具有3D立體結(jié)構(gòu)，不利于生物炭的回收。