[發明專利]超聲活化生物炭及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202110267977.X
• 申請日: 2021-03-11
• 公開（公告）號: CN113019323B
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發明（設計）人: 王彤彤;鄭紀勇
• 申請（專利權）人: 西北農林科技大學
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/30;C01B32/05;C05G3/40;C02F1/28;C02F101/16
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 劉依云;趙澤麗

本發明涉及生物炭的活化技術和吸附應用領域，公開了一種超聲活化生物炭及其制備方法與應用。該方法包括以下步驟：(1)對生物質進行清洗、除雜；(2)對步驟(1)得到的產物分散于水中，并進行超聲活化前處理，得到活化生物質；(3)將活化生物質進行干燥后，在惰性氣氛的存在下，進行熱解反應，得到生物炭；(4)將生物炭分散于水中，并進行超聲活化后處理，得到超聲活化生物炭。該超聲活化生物炭的制備方法具有操作簡捷、設備簡易、成本低且無二次污染的特點，制得的超聲活化生物炭具有多孔結構以及高的比表面積，表面干凈，基本無灰分，雜質很少；對含銨工業廢水處理中的銨態氮(NHsubgt;4/subgt;supgt;+/supgt;)具有優異的吸附性能，并且吸附飽和后的超聲活化生物炭能夠作為土壤緩釋氮肥施加到農田中。

技術領域

本發明涉及生物炭的活化技術和吸附應用領域，具體涉及一種超聲活化?生物炭及其制備方法與應用。

背景技術

銨態氮(NH₄⁺)是氮素的一種重要形式，在自然界氮循環，土壤養分和?微生物代謝中起著重要作用。然而，隨著全球經濟的快速增長，許多地區的?水體(主要是河流，湖泊等)已受到污染，優良的水資源也面臨枯竭的風險；?其中一個重要的表現為：由于化肥在農業生產中的過量使用，銨態氮未被充?分利用，造成面源污染，進而導致地表和地下水污染。此外，諸如化工產品?的生產，垃圾填埋的滲濾液和生活污水中也經常會大量產生含銨廢水。因為?氮是水體富營養化的控制因素，過多的向水體中輸入高濃度的銨態氮，不僅?會危害人類的健康和動植物的生長，還會減少水資源的價值并增加處理成?本。

目前含銨廢水的處理方法中，絮凝法，過濾法和氣提法的處理效果不是?很理想，尤其是在分布式水處理系統中；而采用膜分離技術，化學沉降和生?物反硝化技術的水處理運行成本相對較高。相比之下，吸附法由于其成本低，?效率較高，設備簡單，操作可靠和最重要的可以回收利用氮資源作為緩釋氮?肥等優點而被認為是去除含銨廢水的有效方法之一。

吸附劑的選擇對吸附法的有效性、成本和回收可利用性都有重要影響。?生物炭(biochar)作為新型低成本高效的吸附劑，其是由生物質在缺氧或無?氧條件下經中高溫熱裂解得到的一類富含碳素的、穩定的、高度芳香化的固?體黑色產物。雖然生物炭的性質受制備條件的影響較大，但總體而言，生物?炭具有較大的比表面積和多孔結構，且表面富含官能團(即表面電荷和自由?基)，容重小、穩定性高、吸附能力強。加之，生物炭的制備原料來源廣泛，?成本低廉，被公認是一種更具環保和成本效益的吸附材料，因而經常在農業?生產、環境修復等領域中廣泛推廣應用。而且，大量研究證明將生物炭添加?到土壤中，不僅可以增加土壤肥力，提高農作物產量；而且能夠有效的吸附?土壤或沉積物中的重金屬、農藥等多種污染物。同時，生物炭具有較高的化?學穩定性、難以被微生物降解，可以起到固定大氣碳素、增匯減排、緩解氣?候變化等優勢作用。關于生物炭的這些應用價值和研究意義已被許多文獻資?料廣泛報道。

目前，大量研究表明生物炭的基本特性是可以通過生物質制備過程中的?前處理或后處理，乃至于同時控制前后處理來提升性能的；這種操作常被稱?為物理活化或者化學修飾。

目前，對生物炭化學修飾(活化)的技術主要是采用一系列化學試劑進?行長時間的浸泡或洗滌處理，以使某些化學物質進入生物質(或者制備好的?生物炭)中，然后在高溫和無氧條件下，將處理后的生物質進行熱化學反應，?制備生物炭，進而提升生物炭的理化性能。常見的活化劑包括堿性物質(KOH?和NaOH)，堿土金屬(MgCl₂和CaCl₂)，無機鹽(FeCl₂和K₂CO₃)和無?機酸(HCl和H₃PO₄)等等。這些化學修飾(活化)法的成本較為昂貴，且?解吸再利用效果較差，處理過程有明顯的二次污染痕跡，不夠綠色環保，技?術方面也常常表現為活化操作過程較為復雜，對儀器設備的精度需要較高，?需要專業的人員在安全防護下才能進行大規模化工生產。