一种具备重金属吸附以及有机物降解的多功能生物炭的制备方法及其应用技术

本发明专利技术属于重金属以及有机污染物废水处理技术领域；具体公开了一种具备重金属吸附以及有机物降解的多功能生物炭的制备方法，将生物质粉、催化金属源、HPMC和酸的原料溶液在含氧气氛、100‑280℃下热解，即得。通过本发明专利技术的方法，预先将包含生物质粉、HPMC、催化性金属源、酸的原料水溶液在含氧气氛下碳化(非密闭、无氧条件下的水热碳化)，可以制得具有三维立体结构且具有较大颗粒度，表面修饰有丰富利于重金属吸附的活性基团的碳化产物，不仅如此，还可使催化性金属离子通过所述的活性基团、以及HPMC进行原位键合，负载在形成的活性炭网络中。通过所述的技术方案，可以制得兼具重金属吸附以及有机污染物催化的多重功能的生物炭。

【技术实现步骤摘要】
一种具备重金属吸附以及有机物降解的多功能生物炭的制备方法及其应用
：本专利技术属于重金属以及有机污染物废水处理
，具体公开了一种具备重金属吸附以及有机物降解的多功能生物炭的制备方法。技术背景：生物炭是农业废弃生物质裂解制备的富含有机碳和矿物质、结构复杂的碳材料。生物炭可用作土壤改良剂、污染环境修复、还原剂、肥料缓释载体及二氧化碳封存剂等。此外，生物炭在一定程度上可为气候变化、环境污染和土壤功能退化等全球关切的热点问题提供解决方案。生物碳一方面凭借致密的多孔结构、极大的比表面积等对重金属进行物理吸附，另一方面生物炭凭借多样的表面活性基团和较高的pH等对重金属进行化学吸附。除此之外，生物炭更是能够强烈吸附菲、敌草隆等有机污染物,这些特性使其可作为一种廉价高效的吸附剂而用于有机污染治理。由此可知，生物炭在土壤和水体中有机污染物以及重金属污染控制方面具有巨大的潜力.生物质炭的制备方法可分为热分解法、微波炭化法及水热炭化法。水热炭化是将生物材料的水溶液在密闭的无氧条件下进行碳化，如此，可加速生物质与溶剂之间的物理化学作用，分解生物质中的碳水化合物结构，最终形成生物质炭材料并析出。例如，公开号为CN107746717A的中国专利文献公开了一种浒苔水热液化制备生物炭的方法，以浒苔为原料，制备步骤如下：(1)将浒苔原料80℃下烘干，使其含水率低于5％，然后粉碎，过100目筛子，获得浒苔粉末；(2)将浒苔粉末放入反应釜中并加入去离子水，去离子水浸没浒苔粉，确保无氧环境，开启加热，温度由室温升高至350℃，升温速率为8℃/min，进行水热反应，350℃恒温反应2h；(3)水热反应产物过滤后，利用分析纯二氯甲烷、无水乙醇、去离子水和0.5mol/L盐酸清洗，在80℃下烘干后既制得浒苔水热生物炭。另外，现有污染水体的污染物种类繁多，例如大多含有重金属以及有机污染物，若吸附材料在具备吸附作用的前提下，还具有一定的有机污染物的降解功能，将有可能改善水体污染治理。现有技术中也公开了一些担载有金属离子的生物炭材料。例如，CN104437361A一种原位担载制备功能性生物炭的方法包括以下步骤：(1)将生物质原料投放到预处理溶液中，搅拌浸渍，然后过滤，得到预处理后的生物质原料；所述预处理溶液是指由摩尔浓度为0.1-0.5mol/L的乙二胺四乙酸二钠、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、乙二胺四甲叉磷酸钠溶液中的一种与摩尔浓度为0.5mol/L硫酸溶液等体积混合形成的混合溶液；(2)将所述预处理后的生物质原料投放到担载离子溶液中，搅拌浸渍，然后过滤，得到含水和含担载离子的生物质原料；其中，所述含水和含担载离子的生物质原料的重量含水率范围为50-150％；所述担载离子溶液是指硫酸镁、硫酸铁、硫酸氧钛、硫酸锌、硫酸铝、硫酸钴、硫酸镍、硫酸锰、硫酸铜、硫酸铈、硫酸镨、硫酸钕、硫酸钐、硫酸铕、硫酸钆、硫酸铽、硫酸钬、硫酸镥、硫酸镧和硫酸锆中的一种或多种按照任意摩尔比混合后溶于水形成的溶液；(3)将所述含水和含担载离子的生物质原料以1-3℃/min升温至100-280℃，保温0.5-2小时；(4)接着在无氧或限氧氛围下以10-100℃/min升温至400-800℃，保温1-6小时；(5)冷却后得到功能性生物炭，该功能性生物炭上所担载功能性粒子的重量占生物炭重量的5-40％，功能粒子的粒径为20-500nm。该技术方案得到的成品生物炭不具有3D立体结构，不利于生物炭的回收。再如，CN107376842A公开了一种改性活性炭的制备方法，具体步骤如下：(1)预处理：将活性炭粉末放入硝酸溶液中浸泡2-4h，然后冲洗干净，80-110℃烘干8-12h；(2)负载液的配制：配制3g/L的硝酸钴溶液和1g/L的硝酸锰溶液，按1：1取硝酸钴溶液和硝酸锰溶液于锥形瓶中配制成负载液；(3)负载：在负载液中加入一定量的预处理后的活性炭粉末，搅拌，浸渍8-10h，然后在80-100℃烘干8-12h，干燥后的物质放入500-700℃马弗炉中煅烧2-4h，完成改性活性炭的制备。该技术方案通过活性炭的吸附作用，将催化离子吸附至活性炭孔隙中，该技术方案获得的活性炭为非原位生成，性能不理想。综上，目前制备的生物炭大多通过热解制得，制得的生物炭大多为粉体或小颗粒状，应用在水体中重金属污染物和有机污染物的吸附，回收困难，此外，吸附性能以及催化性能均需要进一步提升。
技术实现思路
：本专利技术的第一目的在于，提供一种具备重金属吸附以及有机物降解的多功能生物炭(本专利技术也简称为多功能生物炭)的制备方法，旨在制得具有大颗粒度、具有优异重金属吸附性能以及有机污染物催化性能的多功能生物炭。本专利技术第二目的在于，提供采用所述的制备方法制得的多功能生物炭的应用。现有技术报道了一些通过生物质的水溶液在密闭、无氧的耐压条件下水热制备生物炭的方法，然而，水热方法制得的生物炭大多为粉体、且颗粒小；且该类方法制得的生物炭在重金属吸附方面以及有机污染物降解等性能不理想，此外，还存在因生物炭粒度小，固液分离时难度大，难于回收等不足。为解决现有技术存在的不足，本专利技术旨在提供一种具有良好三维结构、具有较大颗粒度，且兼具优异重金属吸附以及有机污染物催化降解性能的生物炭，本专利技术的技术方案为：一种具备重金属吸附以及有机物降解的多功能生物炭的制备方法，将生物质粉、催化金属源、HPMC(纤维素羟丙基甲基醚)和酸的原料溶液在含氧气氛、100-280℃下热解，即得。本专利技术方法旨在提供一种利于重金属吸附以及具有有机污染物催化性能的多功能生物炭，专利技术构思是如何提升制得的活性炭对重金属的吸附(特别是重金属的化合吸附性能)以及使其兼具良好的有机污染物催化性能。基于本专利技术的专利技术构思，单纯提高孔隙率对于重金属吸附而言是远远不够的，需要在生物炭表面形成活性基团，改善对重金属的化合吸附性能；不仅如此，在制得的生物炭的孔隙中，通过所述的网络结构以及形成的活性基团键合相关催化金属，可以在保证良好的重金属吸附性能的前提下，协同赋予所述的生物炭良好的有机污染物催化性能。通过本专利技术的方法，预先将包含生物质粉、HPMC、催化金属源(可提供具有催化性能的金属离子)、酸的原料水溶液在含氧气氛下碳化(非密闭、无氧条件下的水热碳化)，可以制得具有三维立体结构且具有较大颗粒度，表面修饰有丰富利于重金属吸附的活性基团的碳化产物，不仅如此，还可使催化金属离子通过所述的活性基团、以及HPMC，原位键合、担载在形成的活性炭的网络中。通过所述的技术方案，可以制得兼具重金属吸附以及有机污染物催化的多重功能的生物炭。本专利技术技术方案的主要创新点在于：在原料水溶液中创新地添加有HPMC和催化金属源，再协同配合于含氧气氛以及所述温度条件下的碳化，如此有利于形成具有良好三维结构、且表面含有丰富活性官能团以及原位键合催化金属离子的碳化产物。研究发现，在所述的溶液体系下，可一步、原位制得具备重金属吸附以及有机污染物催化的双重功能的生物炭，不仅如此，研究还发现，相比于单一重金属吸附或者有机污染物催化的功能的生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具备重金属吸附以及有机物降解的多功能生物炭的制备方法，其特征在于，将生物质粉、催化性金属源、HPMC和酸的原料溶液在含氧气氛、100-280℃下热解，即得。/n

【技术特征摘要】
1.一种具备重金属吸附以及有机物降解的多功能生物炭的制备方法，其特征在于，将生物质粉、催化性金属源、HPMC和酸的原料溶液在含氧气氛、100-280℃下热解，即得。


2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，生物质粉、HPMC的质量比为1：0.02～0.6；优选为1:0.1～0.6。


3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的催化金属源为钴源、铁源、镍源、锰源中的至少一种；
所述的铁源优选为氯化铁、硝酸铁、氯化亚铁、硝酸亚铁、硫酸亚铁中的至少一种；
所述的镍源优选为氯化镍、硝酸镍、硫酸镍中的至少一种；
所述的锰源优选为氯化锰、硝酸锰、硫酸锰中的至少一种；
所述的钴源优选为氯化钴、硝酸钴、硫酸钴、铁酸钴中的至少一种；
生物质粉、催化金属源的质量比优选为1：0.02～0.2；进一步优选为1:0.1～0.2。


4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的酸为磷酸、硼酸、硝酸、硫酸中的至少一种；优选为磷酸；
优选地，原料溶液中，酸的浓度为35-85％；进一步优选为50-70％。


5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的生物质粉为木质纤维素类...

【专利技术属性】
技术研发人员：周南，陈欢利，周智，钟美娥，
申请(专利权)人：湖南农业大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43