一种生物炭负载铁锰材料的制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种生物炭负载铁锰材料的制备方法和应用。该方法是将将生物炭与含Fe

【技术实现步骤摘要】
一种生物炭负载铁锰材料的制备方法和应用
本专利技术涉及地下水氟污染处理
，尤其涉及一种生物炭负载铁锰材料的制备方法和应用。
技术介绍
氟化物普遍存在于水环境中，并且已成为全球环境问题，氟污染可来源于含氟矿物的溶解、火山的排放和海洋气溶胶等自然活动；而在人类生产活动中，煤炭燃烧、钢铁生产、半导体生产、玻璃和陶瓷制造以及铝冶炼厂等各种工业过程也会产生氟化物污染。煤层气排水作为煤层气开采中产生的主要污染，氟是其主要有害物质，通常其含量为5-20mg/L排水。在我国煤层气开采行业中，由于煤层气排水的粗放排放，造成临近地下水的污染问题尚未得到有效的关注，同时，专门针对煤层气排水的治理应用目前还比较少。据统计，全世界有超过2亿人正面临饮用水中氟超标问题，浓度超过1.5mg/L，至少有28个国家发生过由于长期饮用高氟水造成的氟中毒事件，其中包括印度、阿根廷、英国、南非、美国、挪威、墨西哥和中国。在我国，高氟地下水主要分布在新疆、内蒙古、青海、宁夏、河北、山东、河南和安徽等部分地区，直接面临饮用水氟含量超过1.5mg/L的人口达到5000万人，占全国饮水不安全人口的16％。高含氟废水的处理方法主要包括三种，分别为物理法、化学法、物理化学法等。物理法主要包括膜法、电凝聚法、电渗析法等，处理效果很好，但是一般规模较小，同时处理费用比较高，一般需要一定程度的预处理；化学法则大体包括化学沉淀法、混凝沉淀法等，处理效果总体较物理法差，但是处理规模更灵活，适用条件更广泛，但是化学法由于添加了化学药剂，因此有可能因为操作失误造成新的污染；物理化学法则包括离子交换法、吸附法等，这类方法处理氟污染物效果良好，处理规模较小，亦需进行一定的预处理，预处理要求较物理法更低。因此需要进一步探索开发出成本低、对环境友好、除氟效率高的新方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种制备成本低、除氟效果好、对环境友好的一种生物炭负载铁锰材料的制备方法和应用。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种生物炭负载铁锰材料的制备方法，将生物炭与含Fe3+、Fe2+和Mn2+的水溶液混合，向混合溶液中加入分散剂、尿素和pH缓冲剂，维持整个溶液体系的pH值在3～4.5，搅拌充分，得其混合溶液，收集混合溶液中的沉淀物；将所述沉淀物恒温无氧煅烧一段时间，即得到生物炭负载铁锰材料。优选的，所述混合溶液中，所述生物炭的质量浓度为90～110g/L；所述Fe3+、Fe2+和Mn2+的摩尔浓度分别为1.8～2.2mol/L、0.18～0.22mol/L和0.9～1.1mol/L。。优选的，所述pH缓冲剂包括乙酸钠；所述分散剂包括聚乙二醇。优选的，所述混合溶液中的乙酸钠的质量浓度为35～40g/L；所述混合溶液中的聚乙二醇的质量浓度为24～28g/L；所述混合溶液中的尿素的质量浓度为45～50g/L。优选的，所述恒温无氧煅烧具体为：在氮气氛围中，以5～8℃/min的升温速率加热至200～230℃，保持恒温状态煅烧1～3h。优选的，所述生物炭制备过程具体如下：S1：将生物质在100℃～110℃温度下烘干，碾碎得生物质粉末；S2：将步骤S1得到的生物质粉末恒温无氧煅烧一段时间，收集煅烧产物；S3：将步骤S2得到的煅烧产物冷却，碾磨至粉末状并过筛，得到过筛物，将过筛物洗涤烘干得到生物炭。优选的，所述生物质为玉米芯。优选的，在步骤S2中，所述恒温无氧煅烧的具体为：在氮气氛围中，以5～8℃/min的升温速率加热至380～420℃，保持恒温状态煅烧1～3h。优选的，在步骤S3中，所述烘干的温度为60～80℃。一种生物炭负载铁锰材料的应用，将所述生物炭负载铁锰材料投加至煤层气排水中，以去除所述煤层气排水中的氟离子；所述煤层气排水中氟的浓度为5～20mg/L；每升所述煤层气排水中添加所述生物炭负载铁锰材料2～5g。本专利技术的一种生物炭负载铁锰材料的制备方法和应用。该方法是将生物炭与含Fe3+、Fe2+和Mn2+的水溶液混合，亚铁离子能够消耗吸附在生物炭表面的活性氧，防止在煅烧过程中，活性氧导致生物炭的氧化；向其中加入分散剂，以增加整个溶液体系的分散性，防止溶液中的Fe3+、Fe2+和Mn2+发生团聚生成沉淀，使得生物炭表面能更多地吸附铁锰元素；向其中加入pH缓冲剂，调节整个溶液体系的pH值在3～4.5，使得溶液中的Fe3+、Fe2+和Mn2+不会形成氢氧化铁和氢氧化锰沉淀，而是以铁锰水合物的形式存在，以Fe-OH和Mn-OH的官能团形式存在，从而使得生物炭上吸附Fe-OH和Mn-OH，在无氧煅烧条件下脱除氢元素、水分以及无机盐杂质等，形成的Fe-O和Mn-O官能团，这些官能团与阴离子污染物的络合能力强，并且使得生物炭表面更加粗糙，生物炭表面吸附位点会大大增多，吸附性能增强；向其中加入尿素，尿素吸附在生物炭表面，在无氧煅烧条件下，尿素分解产生气体，有利于维持生物炭表面的多孔结构，并且生物炭孔道结构不被堵塞，使得生物炭表面吸附位点增多，进一步增强生物炭负载铁锰材料的吸附能力；与传统吸附剂相比，通过该方法制备的生物炭负载铁锰材料的表面吸附位点大大增多，吸附容量大大提升，使得物理吸附作用进一步增强，而且生物炭表面形成了大量的Fe-O和Mn-O官能团；其与阴离子的络和能力强，使得化学络合能力增强，进而使得本专利技术制备的生物炭负载铁锰材料对阴离子污染物的吸附容量和吸附性能明显提高。附图说明图1为本专利技术实施例1中生物炭负载铁锰材料制备流程图；图2a和图2b为本专利技术实施例1中未负载铁锰的生物炭的SEM图像；图3a和图3b为本专利技术实施例1中生物炭负载铁锰材料的SEM图像；图4为本专利技术实施例1中未负载铁锰的生物炭、生物炭负载铁锰材料以及生物炭负载铁锰材料吸附氟元素后的傅里叶变换红外光谱对比图。具体实施方式以下是本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实施例。实施例1如图1所示，为本专利技术实施例中生物炭负载铁锰材料的制备方法的流程图；具体制备过程如下：1.将玉米芯作为生物质材料，用去离子水洗涤2～3次，主要洗涤表面的灰尘及昆虫碎片等；2.在烘箱中以105℃干烘24h，随后碾碎至直径为1cm左右，得到玉米芯粉末；3.将玉米芯粉末放入石英管式炉内，在流动氮气气氛下，以隔绝空气，按照升温速率为5℃/min的玉米芯粉末升温至400℃，保持恒温状态煅烧1h，将煅烧产物冷却；4.将冷却后的煅烧产物碾磨并过100目筛网，将过筛物用去离子水洗涤2～3次，在60℃温度下烘干，用清水洗涤烘干物，洗脱其中的灰分及溶解性有机物，在60℃烘干得到生物炭；5.将100g生物炭加至于含Fe3+、Fe2+和Mn2+的物质量分别为2.0mol、0.2mol和1.0mol的水溶液中，；并进行持续的搅拌，搅拌过程中加入37g乙酸钠、26g聚乙二醇和48g尿素，搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物炭负载铁锰材料的制备方法，其特征在于，将生物炭与含Fe

【技术特征摘要】
1.一种生物炭负载铁锰材料的制备方法，其特征在于，将生物炭与含Fe3+、Fe2+和Mn2+的水溶液混合，向混合溶液中加入分散剂、尿素和pH缓冲剂，维持整个溶液体系的pH值在3～4.5，搅拌充分，得其混合溶液，收集混合溶液中的沉淀物；将所述沉淀物恒温无氧煅烧一段时间，即得到生物炭负载铁锰材料。


2.如权利要求1所述的一种生物炭负载铁锰材料的制备方法，其特征在于，所述混合溶液中，所述生物炭的质量浓度为90～110g/L；所述Fe3+、Fe2+和Mn2+的摩尔浓度分别为1.8～2.2mol/L、0.18～0.22mol/L和0.9～1.1mol/L。


3.如权利要求2所述的一种生物炭负载铁锰材料的制备方法，其特征在于，所述pH缓冲剂包括乙酸钠；所述分散剂包括聚乙二醇。


4.如权利要求3所述的一种生物炭负载铁锰材料的制备方法，其特征在于，所述混合溶液中的乙酸钠的质量浓度为35～40g/L；所述混合溶液中的聚乙二醇的质量浓度为24～28g/L；所述混合溶液中的尿素的质量浓度为45～50g/L。


5.如权利要求1-4任一项所述的一种生物炭负载铁锰材料的制备方法，其特征在于，所述恒温无氧煅烧具体为：在氮气氛围中，以5～8℃/min的升温速率加热至200～230...

【专利技术属性】
技术研发人员：高旭波，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北;42