一种生物炭负载富Ce制造技术

本发明专利技术公开了一种生物炭负载富Ce

【技术实现步骤摘要】
一种生物炭负载富Ce3+的二氧化铈材料、制备方法及其应用
本专利技术涉及一种生物炭负载富Ce3+的纳米二氧化铈的制备方法，并用于含氧阴离子污染物的吸附，属于有机-无机杂化纳米材料制备和废水处理领域。
技术介绍
铈(cerium，Ce)是第Ⅲ族副族镧系元素，也是目前储量最大、最便宜的稀土元素之一。二氧化铈是铈元素在自然界中最稳定的状态，通常为立方萤石型结构，是最重要的稀土氧化物，二氧化铈表面氧空位缺陷能够自发的产生和消除，使得二氧化铈存在Ce3+和Ce4+之间的可逆转换循环。具有较高Ce3+含量的纳米二氧化铈材料被证明在类芬顿催化中具有较高的过氧化物酶活性，同时Ce3+也是含氧阴离子等污染物在二氧化铈表面吸附的主要吸附位点，因此制备高Ce3+含量的铈基材料能够提高其在催化、吸附等领域的应用价值。而对于大多数铈基材料，其Ce4+含量会明显大于Ce3+，且室温下Ce3+很容易在空气中被氧化成Ce4+，这使得制备具有足够Ce3+位点的铈基材料非常困难。在制备过程中铈盐类型，沉淀方式以及足够的限氧环境是制备高浓度Ce3+材料的关键。通过将不同类型铈盐浸渍到纤维素类生物质表面及内部，并用沉淀法生成氢氧化铈，之后在无氧条件下制备生物炭，既可以为二氧化铈提供大量的负载点位，也可以通过制备过程和生物炭中的大量孔隙为Ce3+提供限氧环境。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种生物炭负载富Ce3+的纳米二氧化铈材料的制备方法及应用。所述生物炭负载富Ce3+的纳米二氧化铈材料表面Ce3+含量为30-60％，所述纳米二氧化铈直径为2-5nm。根据本专利技术的第一方面，提供一种生物炭负载富Ce3+的纳米二氧化铈材料的制备方法，具体包括以下步骤：(1)常温条件下将纤维素类生物质在铈盐溶液中浸渍1-8小时。(2)将(1)得到的固形物加入到碱溶液中搅拌，搅拌速度为300-800r/min，搅拌时间为2-30分钟，将得到的材料用水洗涤至中性，烘干后，研磨得到前驱体。(3)将(2)得到的前驱体放入通有惰性气氛的炉中热解，热解温度为300-600℃，升温速率为10-25℃/min，热解时间为0.5-5小时，得到生物炭负载富Ce3+的纳米二氧化铈材料。具体情况下，所述纤维素类生物质包括未经处理、碱处理、酸处理或水热处理的含有纤维素的生物质。更具体情况下，所述的碱处理的纤维素类生物质按照以下方法制备：(1)将纤维素类生物质粉碎后加入到1-5mol/L碳酸钠或碳酸钾溶液中浸泡，浸泡温度为50-80℃，时间为1-10h。(2)将(1)得到的产物洗至中性，烘干并研磨，得到经过碱处理的纤维素类生物质。更具体情况下，所述的酸处理的纤维素类生物质按照以下方法制备：(1)将纤维素类生物质粉碎后加入到1-5mol/L盐酸或草酸溶液中浸泡，浸泡温度为50-80℃，时间为1-10h。(2)将(1)得到的产物洗至中性，烘干并研磨，得到经过酸处理的纤维素类生物质。更具体情况下，所述的水热处理的纤维素类生物质按照以下方法制备：(1)将纤维素类生物质粉碎后加入到水溶液中，得到的混合物进行水热反应，水热温度为120-200℃，水热时间为6-24小时；优选情况下，水热处理中的所述水溶液包括盐酸、硫酸、硝酸、氢氧化钠或氢氧化钾水溶液中的一种，其浓度为0.01-0.1mol/L。(2)将(1)得到的产物洗至中性，烘干并研磨，得到经过水热处理的纤维素类生物质。专利技术人经过大量实验验证发现，采用水热处理的纤维素类生物质作为原料，最终产物中的Ce3+含量普遍高于采用未处理或酸碱处理的纤维素类生物质作为原料的实施例，最高可达60％左右，其原因是经过水热处理后的纤维素类生物质表面具有更多活性的官能团，同时材料的结构更加疏松多孔，有利于铈离子在生物质表面和内部的吸附。优选情况下，所述纤维素类生物质在铈盐溶液中的浓度为50-500g/L。具体情况下，所述铈盐溶液中包括氯化铈、硫酸铈、硝酸铈、草酸铈、醋酸铈和碳酸铈中的至少一种铈盐，其浓度为0.1-5mol/L；更优选情况下，采用氯化铈作为铈盐，其浓度为0.5-1mol/L。具体情况下，所述碱溶液包括氨水、氢氧化钠，氢氧化钾，碳酸钠和碳酸钾水溶液中的一种，其浓度为0.5-10mol/L，更优选情况下，采用氢氧化钠水溶液，其浓度为2-5mol/L。根据本专利技术的第二方面，提供上述的生物炭负载富Ce3+的纳米二氧化铈材料作为含氧阴离子吸附剂在污水处理中的应用。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术中，以纤维素类生物质为原料，将纳米二氧化铈负载在生物炭上，利用不同类型铈盐、沉淀过程、限氧环境及生物炭中的大量孔隙，得到了表面具有高浓度Ce3+的纳米二氧化铈材料。2、本专利技术中的吸附剂可以对含氧阴离子，如磷酸根、砷酸根，实现高效吸附，吸附量大，有利于废水的有效处理。3、本专利技术的材料的制备方法，采用先浸渍，后热解的步骤，减少了多次高温热解的过程，同时热解温度相对低，降低了制备过程中的能耗，且采用的原料来源广泛且价格低廉，制备成本低。附图说明图1为实施例4制备的生物炭负载富Ce3+的纳米二氧化铈材料的扫描电镜照片。图2为实施例4制备的生物炭负载富Ce3+的纳米二氧化铈材料的另一扫描电镜照片。图3为实施例4制备的生物炭负载富Ce3+的纳米二氧化铈材料的边缘高分辨透射电镜照片。图4为实施例4制备的生物炭负载富Ce3+的纳米二氧化铈材料表面的铈的XPS谱图。具体实施方式实施例1、提供一种生物炭负载富Ce3+的纳米二氧化铈材料的制备方法(1)将5g玉米秸秆浸渍在25mL1mol/L氯化铈溶液中1小时；(2)将(1)中得到的固形物加入2mol/L氢氧化钠溶液中，以600r/min磁力搅拌10分钟，之后将得到的材料用水洗涤至中性，80℃烘干12小时，得到制备生物炭的前驱体；(3)将(2)中得到的前驱体放入通有N2的管式炉中，400℃下缺氧热解1小时，升温速率为25℃/min，得到负载二氧化铈的生物炭。对比例1、提供一种生物炭的制备方法(1)将5g玉米秸秆浸渍在25mL水溶液中1小时；(2)将(1)中得到的固形物加入到2mol/L氢氧化钠溶液中，以600r/min磁力搅拌10分钟，之后将得到的材料用水洗涤至中性，80℃烘干12小时，得到制备生物炭的前驱体；(3)将(2)中得到的前驱体放入通有N2的管式炉中，400℃下缺氧热解1小时，升温速率为25℃/min，得到生物炭。实施例2、提供一种生物炭负载富Ce3+的纳米二氧化铈材料的制备方法(1)将10g玉米秸秆粉碎后加入到2mol/L盐酸溶液中浸泡，浸泡温度为60℃，时间为4小时；(2)将(1)得到的产物洗至中性，烘干并研磨，得到经过酸处理的玉米秸秆。(3)称取(2)中得到的酸处理后的玉米秸秆5g浸渍在25mL1mol/L氯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物炭负载富Ce

【技术特征摘要】
1.一种生物炭负载富Ce3+的纳米二氧化铈材料的制备方法，其特征在于，所述生物炭负载纳米二氧化铈材料表面Ce3+含量为30-60％，所述纳米二氧化铈直径为2-5nm；具体包括以下步骤：
(1)常温条件下将纤维素类生物质在铈盐溶液中浸渍1-8小时；
(2)将(1)得到的固形物加入到碱溶液中搅拌，搅拌速度为300-800r/min，搅拌时间为2-30分钟，将得到的材料用水洗涤至中性，烘干后，研磨得到前驱体；
(3)将(2)得到的前驱体放入通有惰性气氛的炉中热解，热解温度为300-600℃，升温速率为10-25℃/min，热解时间为0.5-5小时，得到生物炭负载富Ce3+的纳米二氧化铈材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纤维素类生物质包括未经处理、碱处理、酸处理或水热处理的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨森，王一，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11