一种基于碱性溶液改性的生物炭、制备方法及其应用

技术领域

本发明属于固体废弃物利用及环保污染处理技术领域，特别涉及一种基于碱性溶液改性的生物炭、制备方法及其应用。

背景技术

在目前常见的水污染中以工业废水污染为主，其中印染工业产生的染料废水排放量日益增高。据测算，每使用1吨染料，约有100-200Kg的染料被排放到水中。这些染料按来源可分为天然染料和人工合成染料两类。由于合成染料成本低、染色牢度高，深受现代工业的喜爱。但这类染料多是芳香族硝基及氨基化合物及其衍生物，其色度高且含有毒性，在进入水体后难以降解，不仅会导致水体成分更加复杂，且会引起水体含氧量下降，危害性极大。因而在印染废水排放中染料量的控制尤为重要。在常规处理过程中，由于吸附法使用方便，对环境损害小，所以人们多采用以活性炭为主的吸附处理方式。但是吸附性能良好的活性炭工艺成本较高，市场价格可达到70元/Kg。因此开发用于印染污水处理的成本较低的吸附剂成为该领域需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本较低的用于印染污水处理的生物炭吸附剂及其制备方法，将其应用于污水处理，不仅成本低，而且具有非常好的吸附效果。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于碱性溶液改性的生物炭，通过下法制得：以枣木为原料制得枣木炭，然后利用碱性溶液进行改性，之后干燥获得所述生物炭。

其中，以枣木为原料，在氮气气氛下进行热解，冷却后获得枣木炭。

优选的，热解温度330-370℃，热解时间50-70min，热解升温速率为5-10℃/min。

优选的，氮气流量为150-250ml/min；但具体也没有严格的要求，氮气流量取决于所用设备，保持N

所述枣木炭的粒度优选为40-200目，更优选120-200目。

进一步，利用碱性溶液进行改性时，将枣木炭与碱溶液充分混合，处理温度为100-120℃，混合时间为8-12h。

优选的，碱溶液的浓度为2-3mol/L，处理每克枣木炭加入碱性溶液15-25ml。

碱溶液可采用氢氧化钾或氢氧化钠或其他常规碱溶液。

优选的，处理每克枣木炭加入15-25ml碱性溶液。

将改性后的枣木炭清洗至中性后进行干燥。

具体的，本发明生物炭制备包括以下步骤：

A.枣木炭的制备：将废弃枣木原料置于管式炉中在氮气气氛下热解，将所得产物经自然冷却后得到枣木炭；

B.改性处理：将所得的枣木炭置于反应釜中，加入碱溶液搅拌一段时间后静置，后放入恒温干燥箱处理。将反应釜内胆里中物质取出后进行抽滤，此过程中需不断加水冲洗，直至洗涤中性。将抽滤后得到的改性枣木炭倒入干燥皿中，送入烘箱内进行干燥，所得产物即为改性生物质炭。

更为优选的，以KOH溶液为例，改性枣木炭的最适宜条件为：利用50mL浓度为2.5mol/L的KOH溶液对颗粒度为120-200目枣木炭在温度为110℃下进行处理。经KOH溶液改性后，枣木炭在10min内对于亚甲基蓝的吸附量就可达到73.333mg/g，较未改性枣木炭提升了252.6％。

所述生物炭在印染污水中有很好的应用。

优选的，生物炭投入印染污水后于30-40℃进行处理。

具体的投入量则可以根据需要处理废水的浓度具体确定。

例如，对于50ml 0.15g/L的亚甲基蓝溶液，最适宜吸附条件为生物炭投放量为0.1g，吸附温度为35℃。

本发明通过管式炉制备了一种枣木炭，并在水热环境下使用碱溶液对其进行改性，并将改性后的生物炭用于吸附印染污水。改性过程中，不同温度、不同颗粒大小对改性过程都有较大影响，而且多种因素对生物炭吸附效果都具有影响。

本发明采用低廉的枣木制得的枣木炭为原材料，通过对其进行改性将其用于印染污水处理，既可将生物质废弃物高值化利用，又可带来一定的环境效益。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明采用低廉的枣木炭为原材料，通过对其进行改性并将其用于印染污水的处理，既可将生物质废弃物高值化利用，又可带来一定的环境效益。通过对原料枣木炭的选择以及对于改性条件的探索，发现在非常温和的改性条件下，本发明获得的生物炭就能实现非常好的印染污水处理效果，吸附效果远远优于其他原料在更为苛刻改性条件下获得的生物炭。所以，本发明不仅制备方法简单，改性条件温和易实现，且将经改性后的枣木生物质炭应用于印染污水处理中能够有效吸附水中染料，降低污水色度。

附图说明

图1为改性前枣木炭的SEM图，左右分别为放大1000倍和3000倍的电镜照片；

图2为获得的改性后枣木炭SEM图，左右分别为1000倍和3000倍下的放大图；

图3为炭样品TL110在不同吸附温度下对亚甲基蓝去除率；

图4为炭样品TL110在不同投放量下去除率变化情况；

图5为40-80目枣木炭吸附量随吸附时间变化图；

图6为亚甲基蓝浓度与其对应吸光度散点图。

具体实施方式

以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：

实施例1

一种基于碱性溶液改性的生物炭，制备方法如下：

1)将枣木预先在干燥箱以105℃干燥12h以除去水分；将干燥后的枣木置于管式炉中，以氮气为载气，以5-10℃/min的加热速率升温至350℃，并保持1h；在管式炉中氮气气氛下自然冷却后，得到枣木炭。其微观结构如附图1中所示。

2)A.对枣木炭进行粉碎，分别留出颗粒度处于40-80目、80-120目、120-200目以内的炭粉为样品备用，并分别用字母L、M、S标记。

B.称取3g枣木炭粉置于反应釜中，并用25mL移液管分两次向反应釜内移入50mLKOH溶液(浓度为2.5mol/L)，静置3-4min，使枣木炭粉浸透后，分组放入三个恒温干燥箱中，第一个设置温度为90℃，第二个为100℃，第三个为110℃。整个改性阶段需在干燥箱中加热8h，静置12h。

C.将内胆里物质取出后进行抽滤，此过程中需不断加水冲洗，直至洗涤至中性。将抽滤后得到的改性枣木炭倒入干燥皿中，送入烘箱内进行干燥。设置温度为110℃，干燥2h后封存。

其中，40-80目的枣木炭在110℃下经2.5mol/L KOH溶液处理改性后的枣木炭微观结构如图2所示。

获得的生物质炭吸附性能测试

用亚甲基蓝溶液对未改性枣木生物炭及改性后的枣木生物炭进行吸附性能测试，配制的不同浓度的亚甲基蓝溶液吸光度如表1所示，通过表1数据获得亚甲基蓝浓度与其对应吸光度散点图，具体如图6所示，拟合获得吸光度与亚甲基蓝溶液的浓度的方程为Y＝0.0058x+0.0018(y为浓度，单位g/L；x为吸光度)。

表1亚甲基蓝不同浓度下测得吸光度

按照枣木炭是否已改性(改性为T，未改性为F)、炭粉颗粒度、改性温度的前后顺序，将未改性的枣木炭编号为FL、FM、FS，不同颗粒度改性枣木炭编号并列于表2中：

表2不同颗粒度改性枣木炭对应编号

进行吸附性能测试时，在100mL锥形瓶中各加入适量枣木炭或改性炭以及50mL浓度为0.15g/L的亚甲基蓝溶液，静置3-4min，使瓶内炭的粉末完全浸透。然后将锥形瓶放入振荡器，设置振荡器工作频率为275Hz，确定所需工作温度及振荡吸附时间。达到规定时间后，将锥形瓶液体过滤后转移到比色管中。各部分实验参数如下：

(1)不同改性温度和颗粒度下炭吸附能力变化探究实验：每次称量0.1g枣木炭或者改性枣木炭用于振荡吸附，规定振荡吸附时间为10min，设置吸附温度为35℃，振荡器工作频率为275Hz；枣木炭吸附性能如表3所示；

(2)不同吸附温度下改性枣木炭吸附能力变化探究实验：选用40-80目改性枣木炭TL110，设置振荡器工作时间为10min，保持每次炭样品TL110投放量为0.1g，吸附温度以25℃为起始，75℃为终止，温度梯度为10℃。分别计算炭样品TL110不同吸附温度下对应的去除率，吸附性能如图3所示；

(3)不同改性炭投放量下改性枣木炭吸附能力变化探究实验：选用40-80目的改性枣木炭样品TL110，振荡吸附时间为10min，设置吸附温度为35℃，分别计算对应去除率，吸附性能如图4所示；

(4)长吸附时间下改性炭吸附效果研究实验：选用40-80目的枣木炭样品FL、TL90、TL100、TL110进行长时间吸附测试。将实验分成四组，振荡器工作依次设置为10min、30min、60min、90min、120min、150min、180min。枣木炭样品投放量均为0.1g，振荡器工作温度为35℃，吸附性能如图5所示。

表3不同炭样品编号及其吸附量

测试表明本发明制备的枣木炭可有效吸附印染污水，经碱溶液改性后可提升枣木炭的吸附能力；在一定范围内，炭粉粒径越小，水热碱改性环境温度越高，改性效果越好。