一种改性烟蒂活性炭微球的制备方法及其在吸附氨中的应用技术

本发明专利技术公开一种改性烟蒂活性炭微球的制备方法及其在吸附氨中的应用。先在磷酸存在的条件下进行水热反应获得固体一次球化炭基质，再通过热解炭化活化得到球状活性炭粗品，然后进行金属盐浸渍获得改性烟蒂活性炭微球，所得产品具有介孔结构和球状形貌，微球的直径为1～30微米，微球上的孔径主要分布在2～30纳米的范围。本发明专利技术所得产品用于吸附氨气，吸附容量高达6.0mmol/g～8.0mmol/g，能够为改善排放的含氨氮的废水质量或含氨的废气质量提供一种有效可行的便捷方式，具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种改性烟蒂活性炭微球的制备方法及其在吸附氨中的应用


[0001]本专利技术涉及生物炭的制备及应用，特别涉及一种改性烟蒂活性炭微球的制备方法及其在吸附氨中的应用。

技术介绍

[0002]NH3和NH
4+
是对环境影响最为严重的含氮物种。水体中含氮化合物的含量提升会导致富营养化，影响饮用水质量。排入大气的氨与NO
X
和SO2一起反应产生的硝酸铵或硫酸铵盐，是形成雾霾的重要因素。大气中的NH3具有强烈的刺激性，对人体呼吸道、眼睛等造成损伤。随着人口的增长和人为活动的增加，全球氨排放量急剧增加。与此同时，氨作为一种重要的化肥与工业原料，在制药、农业和化工等领域有着大规模应用，甚至可以部分代替化石燃料作为低碳能源使用。因此，含氨废气和废水的净化、氨的分离和储存具有很强的现实需求，高效的吸附材料和技术受到广泛关注。
[0003]据统计，世界上每年香烟消费量巨大，多达4.95万亿个烟蒂被丢弃于环境中。烟蒂在自然环境中很难降解，烟蒂中的微量重金属中会随着雨水浸出而进入土壤和水体，不仅对自然环境造成污染，而且对人类和生态中生物构成了健康威胁。因此，将废弃烟蒂制成活性炭吸附材料用于净化环境中的污染物，能够实现以废治废，受到欢迎。
[0004]中国专利技术CN109173994A提供了一种高温炭化改性废弃烟蒂制备生物炭的方法以及生物炭的应用，其制备方法包括水热炭化、高温热解活化和酸处理等步骤，所得生物炭作为吸附剂在不同pH条件下去除水体中的双酚A即BPA，具有明显的选择性。中国专利技术专利CN111003709B公开了一种利用废弃烟蒂制备活性炭的方法及制得的活性炭，所述方法包括废弃烟蒂的热解预炭化、活化和热解炭化等步骤，其通过优化预炭化的条件，将烟蒂中纤维丝束和焦油预炭化，从而获得较佳的活性炭的比表面积、中孔率和活性炭的得率。
[0005]上述将烟蒂制成活性炭吸附材料的技术方案确实在某些性能上获得了较好的提升，但所得活性炭更适用于吸附净化水体中的有机物和重金属，所得活性炭形貌结构不规则，进一步改性获得均匀活性位点的难度大，性质较单一且不稳定，尚不能在吸附氨中获得好的吸附效果。

技术实现思路

[0006]针对现有烟蒂活性炭形貌结构不规则，性质较单一且不稳定，吸附氨效果较差等技术问题，本专利技术提供一种改性烟蒂活性炭微球的制备方法及其在吸附氨中的应用。
[0007]本专利技术提供的改性烟蒂活性炭微球的制备方法，包括如下步骤：
[0008](1)水热反应成球：将废弃烟蒂、水或/和磷酸溶液放入反应釜中搅拌混合，通过水热反应制得水热碳悬浮液，水热反应的温度为200℃～300℃，时间为0.5h～3h，固液分离得到固体一次球化炭基质；
[0009](2)热解碳化活化：将步骤(1)所得一次球化炭基质直接干燥或者先和磷酸溶液均匀混合后再进行干燥，然后在保护气氛下500℃～800℃高温热解0.5h～2h，冷却后得到球
状活性炭粗品；
[0010](3)金属氯化物改性：将步骤(2)所得球状活性炭粗品进行洗涤后烘干，然后放入金属氯化物溶液中进行改性，干燥后得到改性烟蒂活性炭微球。
[0011]进一步地，步骤(1)中，废弃烟蒂为去除残留烟丝的烟蒂头，优选去除外包装纸的烟蒂。
[0012]进一步地，步骤(1)中，水热反应优选加入催化剂，催化剂为葡萄糖或/和纤维素，催化剂的用量为烟蒂质量的0.1～5％。
[0013]进一步地，步骤(1)中，废弃烟蒂与体系中水的用量为1g：(5～20ml)，体系中的水包括直接加入的水或/和磷酸溶液中的水；水热反应的温度为200℃～300℃，优选225～248℃或250～270℃；时间为0.5h～3h。
[0014]进一步地，步骤(1)中，固液分离得到液相转入下一批次的水热反应，实现包括催化剂在内的物料的充分利用。
[0015]进一步地，步骤(2)中，热解的温度为580～720℃，时间为1～1.5h。
[0016]进一步地，步骤(1)和步骤(2)至少一个步骤中加入磷酸溶液，磷酸的总用量为废弃烟蒂质量的0.5～5倍，步骤(1)中加入磷酸溶液，能够一定程度上促进水热反应的进行，同时又能够为后续的活化做准备，因此在步骤(1)中先加入磷酸，是更优的选择，更优选地，步骤(1)中加入磷酸总用量的50％～100％，即步骤(1)中可以直接加入活化所需的全部磷酸或者部分磷酸，当步骤(1)加量不足时，剩余量在步骤(2)中补充加入。
[0017]进一步地，步骤(3)中，金属氯化物选自氯化镁、氯化锰、氯化亚铁、氯化锌和氯化镍中的一种或两种以上，金属氯化物溶液的质量分数为5％～30％，金属氯化物的用量为球状活性炭粗品质量的20％～200％。
[0018]进一步地，步骤(3)中，改性在搅拌或/和超声条件下进行，搅拌转速为250～500r/min，超声为20～40min。
[0019]上述制备方法得到的改性烟蒂活性炭微球具有介孔结构，微球的直径为1～30微米，微球上的孔径主要分布在2～30纳米的范围。
[0020]上述制备方法得到的改性烟蒂活性炭微球用于吸附氨，可以去除废水中的氨氮或含氨废气中的氨气，能够取得良好的吸附效果，尤其是含氨废气中氨气的吸附效果更为显著。
[0021]本专利技术的有益效果在于：
[0022]本专利技术以对环境有污染的废弃烟蒂作为原料制备得到介孔的改性烟蒂活性炭微球，制备工艺产率稳定、生产成本较低，所得产物还具有比表面积大、活性成分负载均匀、吸附氨效果好、容易再生循环使用等优点，实现了废弃烟蒂的资源化利用。
[0023]本专利技术先通过水热炭化成球，再进行高温热解活化，然后进行金属盐浸渍获得改性烟蒂活性炭微球，具有介孔结构和球状形貌，微球的直径为1～30微米，微球上的孔径主要分布在2～30纳米的范围。氯化物改性工序本身并非本专利技术的原创，然而本专利技术在获得球状活性炭粗品后，通过氯化物改性，明显放大了所得产物在氨吸附中的应用效果，氯化物改性尤其是氯化镍等氯化物的改性，能够显著提升所得产物的氨吸附效果。此外，本专利技术通过在水热过程中加入催化剂和活化所需的部分磷酸或者全部磷酸，不仅能够促进水热反应的发生，强化水热反应的效果，更好地保障球状形貌的获得，而且能够进一步提升所得产物吸
附氨的效果，从而所得产物更加适用于氨吸附，氨吸附容量高达6.0mmol/g～8.0mmol/g，能够为改善排放的含氨氮的废水质量或含氨的废气质量提供一种有效可行的便捷方式，具有良好的应用前景。
附图说明
[0024]图1为本专利技术的工艺流程示意图。
[0025]图2为对比例1所得SFC的扫描电镜图，由图可知，水热反应一次成球碳基质具有初步的球状形貌。
[0026]图3为实施例1所得SFC
‑
20％的扫描电镜图。
[0027]图4为实施例6的氨气吸附的效果图。
[0028]图5为实施例7的氨气吸附的效果图。
[0029]图6为实施例8的氨气吸附的效果本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性烟蒂活性炭微球的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)水热反应成球：将废弃烟蒂、水或/和磷酸溶液放入反应釜中搅拌混合，通过水热反应制得水热碳悬浮液，水热反应的温度为200℃～300℃，时间为0.5h～3h，固液分离得到固体一次球化炭基质；(2)热解炭化活化：将步骤(1)所得一次球化炭基质直接干燥或者先和磷酸溶液均匀混合后再进行干燥，然后在保护气氛下500℃～800℃高温热解0.5h～2h，冷却后得到球状活性炭粗品；(3)金属氯化物改性：将步骤(2)所得球状活性炭粗品进行洗涤后放入金属氯化物溶液中进行改性，干燥后得到改性烟蒂活性炭微球。2.如权利要求1所述的改性烟蒂活性炭微球的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的废弃烟蒂为去除残留烟丝的烟蒂头。3.如权利要求1所述的改性烟蒂活性炭微球的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述水热反应加入催化剂，所述催化剂为葡萄糖或/和纤维素，所述催化剂的用量为烟蒂质量的0.1～5％。4.如权利要求1所述的改性烟蒂活性炭微球的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，废弃烟蒂与体系中水的用量为1g：(5～20ml)；所述水热反应的温度为225℃～248℃或250℃～270℃。5.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨柳春，伍良益，杨朋，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：