CN103316632A

CN103316632A - 一种芦竹生物炭、制备方法及强化氨氮吸附的方法

Info

Publication number: CN103316632A
Application number: CN2013102184541A
Authority: CN
Inventors: 高旭; 杜刚; 黄磊; 鲁言言; 刘明; 郭劲松
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Southwest University
Priority date: 2013-06-04
Filing date: 2013-06-04
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-06-04
Also published as: CN103316632B

Abstract

本发明公开了一种芦竹生物炭、制备方法及强化氨氮吸附的方法，将切短烘干的芦竹秸秆加入温和碱反应液中浸泡预处理，将经预处理后的秸秆用水洗至中性后烘干，再在氮气氛围下绝氧热解制得芦竹生物炭；芦竹生物炭经破碎过筛即可用于水处理强化氨氮吸附。本方法制得生物炭比表面积和孔径增加，提高了生物炭的吸附性能。本发明以芦竹秸秆为原材料制备成生物炭，既解决了芦竹秸秆收割后的处置、处理问题，也可以用于修复受污染的水体和土壤，变废为宝。

Description

一种芦竹生物炭、制备方法及强化氨氮吸附的方法

技术领域

本发明涉及水污染治理技术的改进，具体指一种芦竹生物炭、该芦竹生物炭的制备方法以及将该芦竹生物炭用于强化氨氮吸附的方法，属于水处理领域。

背景技术

生物炭是生物质材料在厌氧或缺氧氧条件下经高温热解形成的固体产物，具有高度发达的孔隙结构和较多的表面负电荷，能够有效吸附固定水、土壤或沉积物中的无机离子（如Cu²⁺、Pb²⁺、Hg²⁺和NH₄ ⁺等）和有机化合物。同时，生物炭的高度芳香化结构使其具有较高的生物、化学和热稳定性，在水体修复和土壤改良方面具有很大应用潜力。但是目前制备技术得到的生物炭在水处理中的效果有限，难以充分发挥其潜能和优势。

芦竹是一种用于湿地生态修复的常用植物，但是随着湿地的长时间运行，污染物的有效去除需要通过定期收割芦竹来实现。长期以来，由于缺乏有效的资源化利用技术，芦竹秸秆多数被直接还田或者焚烧，使收割后的芦竹秸秆不能及时利用，对环境造成二次污染，同时也造成资源浪费。因此，如何对收割后的芦竹秸秆进行资源化利用，是摆在本领域技术人员面前的一个需要解决的课题。

发明内容

针对传统生物炭在水处理效果上的不足，本发明的目的是提供一种芦竹生物炭、该芦竹生物炭的制备方法以及将该芦竹生物炭用于强化氨氮吸附的方法，本芦竹生物炭和方法可大大提高氨氮吸附性能。

本发明实现上述目的的技术解决方案如下：

一种芦竹生物炭的制备方法，按如下步骤进行，

（1）原料制备：将芦竹秸秆洗净，切短至4~5cm，烘干备用；

（2）芦竹秸秆预处理：将第（1）步得到的芦竹秸秆加入温和碱反应液中浸泡预处理，温和碱反应液为NaOH和H₂O₂组成的混合水溶液，其中NaOH质量分数为0.25～2%，H₂O₂质量分数为0.14～1.01 %，余量为水；预处理参数为：温度40～80℃，固液比（g/mL）1:30～1:10，处理时间4h～32h，将经预处理后的芦竹秸秆用水洗至中性后烘干备用；

（3）将第（2）步预处理后的芦竹秸秆在氮气氛围下绝氧热解制得芦竹生物炭，其中热解温度为400~800℃，热解时间为1.5~2.5h；

（4）将第（3）步制备的芦竹生物炭放入粉碎机中破碎，过筛，取80~40目的芦竹生物炭作为吸附材料，用去离子水洗涤以使芦竹生物炭的pH值降低至7.5~8，由于新制备的生物炭呈碱性，pH约为10~11，洗涤是为了使生物炭的pH降低至7.5~8，以防止氨氮以氨气状态挥发逸出，之后放入烘箱中烘干即制备得到最终的芦竹生物炭成品。

进一步地，所述第（2）步芦竹秸秆预处理时，温和碱反应液中NaOH质量分数优选1-1.5%，H₂O₂质量分数优选0.3-0.6%；预处理温度优选55-70℃，固液比（g/ml）优选1:15-25，预处理时间优选15-28h。

本发明的芦竹生物炭即由上述方法制备得到。

将按上述方法制备的芦竹生物炭加入待处理水中即可强化氨氮吸附处理。

本发明通过对热解炭化前的芦竹秸秆进行温和碱氧化预处理，其本身超强的木质纤维素晶体结构被破坏，改变了生物炭的元素组成，通过对比经过和没经过温和碱氧化预处理的芦竹秸秆得到的两种生物炭的扫描电镜图分析表明：制得生物炭的骨架结构较未经预处理制备的生物炭发生明显坍塌，比表面积和孔径增加；分析两种生物炭的元素组成：经预处理后的芦竹生物炭的C、H、N含量均减少，O含量增加，H/C、(C+H)/O的比值降低，(O+N)/C的比值增加。这些可以表明：温和碱氧化预处理后制备的生物炭芳香性变强、聚合度变高、还原性减弱、表面极性增加，这些均有利于生物炭吸附量的增加，提高了生物炭的吸附性能，实验证实也的确如此。

本发明以芦竹秸秆为原材料制备成生物炭，既解决了湿地植物芦竹秸秆收割后的处置、处理问题，也可以用于修复受污染的水体和土壤，变废为宝。

附图说明

图1-未经预处理(a)和经温和碱预处理(b)的芦竹秸秆制备的生物炭电镜扫描图。

图2-未经预处理和经温和碱预处理的芦竹秸秆制备的生物炭对氨氮的吸附性能试验比对图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。

本发明芦竹生物炭的制备方法，其步骤为：

（1）原料制备：将芦竹秸秆洗净，切短至4~5cm，烘干备用；

（2）芦竹秸秆预处理：将第（1）步得到的芦竹秸秆加入温和碱反应液中浸泡预处理，温和碱反应液为NaOH和H₂O₂组成的混合水溶液，其中NaOH质量分数为0.25～2%，H₂O₂质量分数为0.14～1.01 %，余量为水；预处理参数为：温度40～80℃，固液比（g/mL）1:30～1:10，处理时间4h～32h，将经预处理后的秸秆用水洗至中性后烘干备用；

（4）将制备的芦竹生物炭放入粉碎机中破碎，过筛，取80~40目的芦竹生物炭作为吸附材料，用去离子水洗涤数遍，由于新制备的生物炭呈碱性，pH约为10~11，洗涤是为了使生物炭的pH降低至7.5~8，以防止氨氮以氨气状态挥发逸出，之后放入烘箱中烘干备用；

所述第（2）步芦竹秸秆预处理时，温和碱反应液中NaOH质量分数优选1-1.5%，H₂0₂质量分数优选0.3-0.6%；预处理温度优选55-70℃，固液比（g/ml）优选1:15-25，预处理时间优选15-28h。更优选地，温和碱反应液中NaOH质量分数优选1.24%，H₂O₂质量分数优选0.35%；预处理温度优选64℃，固液比（g/ml）优选1:22.2，预处理时间优选26.5h。也可以温和碱反应液中NaOH质量分数为1.14%，H₂O₂质量分数为0.46%；预处理温度为55℃，固液比（g/ml）为1:18，预处理时间为20h。

所述第（3）步，芦竹秸秆在热解制备芦竹生物炭时，热解温度优选为500℃，热解时间优选为2h。

为了说明本发明制备得到的芦竹生物炭的性状，本发明分别按本方法制备得到芦竹生物炭，同时按未经预处理方法制备得到芦竹生物炭，然后对两种芦竹生物炭的性状进行对比分析。上述制备过程除了有无预处理步骤外，其它步骤相同。预处理步骤中，温和碱反应液中NaOH质量分数为1.24%，H₂O₂质量分数为0.35%；预处理温度为64℃，固液比（g/ml）为1:22.2，预处理时间为26.5h。

然后采用傅里叶红外光谱分析（FTIR）、电子显微镜扫描(SEM)、X射线衍射分析(XRD)对经预处理和未处理制备的生物炭的性状进行对比分析，同时测定两种生物炭的比表面积和孔径。下表为生物炭的元素组成分析表。

元素组成

Figure 2013102184541100002DEST_PATH_IMAGE002

如上表所示，经预处理后制备的生物炭的C、H、N含量均减少，O的含量增加，H/C、(C+H)/O的比值降低，(O+N)/C的比值增加。H/C比值降低说明芦竹秸秆经预处理后制备的生物炭芳香性变强，聚合度变高；(C+H)/O的比值降低说明生物炭的还原性减弱；(O+N)/C的比值增加说明生物炭表面极性增加。所以可以判定通过用温和碱氧化预处理芦竹秸秆，可使制得的生物炭吸附性能提高。

芦竹秸秆经温和碱预处理后制得的生物炭的比表面积为821.31 m²/g，孔径为35.8 nm，而未经预处理制得生物炭的比表面积为345.92 m²/g，孔径为5.1 nm。对比两种生物炭放大2000倍下的SEM图（见图1）分析表明：用温和碱氧化处理芦竹秸秆，破坏了木质纤维素的超强晶体结构，制备的生物炭的骨架结构较未经预处理制备的生物炭发生明显坍塌。比表面积和孔径的增加，有利于吸附的进行。

为进一步验证处理后制备的生物炭的吸附效果，发明人按照下述步骤进行了吸附试验。

试验步骤：称取经预处理和未处理的芦竹生物炭各0.5g，加入到250ml锥形瓶中，加入100ml氨氮溶液，其中选用三种氨氮初始浓度：2mmol/L，4mmol/L，8mmol/L，pH均调节为7。放入恒温振荡器中，温度设定为25℃，转速为150rpm，每隔一段时间取水样，测定氨氮浓度，计算出芦竹生物炭的吸附量。

本发明中芦竹生物炭对氨氮的吸附量按下式计算：

Figure 2013102184541100002DEST_PATH_IMAGE003

式中C_o和C_e为氨氮的初始浓度和吸附平衡后的浓度，V为氨氮溶液的体积（L），W为芦竹生物炭的质量（g）。

实施例一：

分别称取经温和碱处理和未经处理制备的芦竹生物炭各0.5g，各加入到250ml锥形瓶中，再加入浓度为2mmol/L的氨氮溶液100ml，采用浓度为0.001、0.01、0.1、1.0和2.0mol/L的HCl和NaOH对溶液pH进行调节，使pH值为7。放入恒温振荡器中，温度设定为25℃，转速为150rpm，每隔一段时间取水样，测定氨氮浓度，计算出芦竹生物炭的吸附量。试验结果如图2a所示，氨氮溶液初始浓度为2mmol/L时，吸附试验进行72h后，两种生物炭对氨氮的吸附均处于平衡状态，其中，经预处理的芦竹生物炭的吸附量为0.45mg/g，未经处理的芦竹生物炭的吸附量为0.33mg/g。

实施例二：

分别称取经温和碱处理和未经处理制备的芦竹生物炭0.5g，各加入到250ml锥形瓶中，加入浓度为4mmol/L的氨氮溶液100ml，采用浓度为0.001、0.01、0.1、1.0和2.0mol/L的HCl和NaOH对溶液pH进行调节，使pH值为7。放入恒温振荡器中，温度设定为25℃，转速为150rpm，每隔一段时间取水样，测定氨氮浓度，计算出芦竹生物炭的吸附量。试验结果如图2b所示，氨氮溶液初始浓度为4mmol/L时，吸附试验进行72h后，两种生物炭对氨氮的吸附均处于平衡状态，其中，经预处理的芦竹生物炭的吸附量为0.8mg/g，未经处理的芦竹生物炭的吸附量为0.6mg/g。

实施例三：

分别称取经温和碱处理和未经处理制备的芦竹生物炭0.5g，各加入到250ml锥形瓶中，加入浓度为8mmol/L的氨氮溶液100ml，采用浓度为0.001、0.01、0.1、1.0和2.0mol/L的HCl和NaOH对溶液pH进行调节，使pH值为7。放入恒温振荡器中，温度设定为25℃，转速为150rpm，每隔一段时间取水样，测定氨氮浓度，计算出芦竹生物炭的吸附量。试验结果如图2c所示，氨氮溶液初始浓度为8mmol/L时，吸附试验进行72h后，两种生物炭对氨氮的吸附均处于平衡状态，且对氨氮的吸附量基本相同，约为1.1mg/g。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种芦竹生物炭的制备方法，其特征在于：按如下步骤进行，

（1）原料制备：将芦竹秸秆洗净，切短至4~5cm，烘干备用；

（4）将第（3）步制备的芦竹生物炭放入粉碎机中破碎，过筛，取80~40目的芦竹生物炭作为吸附材料，用去离子水洗涤以使芦竹生物炭的pH值降低至7.5~8，之后放入烘箱中烘干即制备得到最终的芦竹生物炭成品。

2.根据权利要求1所述的芦竹生物炭的制备方法，其特征在于：所述第（2）步芦竹秸秆预处理时，温和碱反应液中NaOH质量分数优选1-1.5%，H₂0₂质量分数优选0.3-0.6%；预处理温度优选55-70℃，固液比（g/ml）优选1:15-25，预处理时间优选15-28h。

3.根据权利要求1所述的芦竹生物炭的制备方法，其特征在于：所述（3）步芦竹秸秆热解制备芦竹生物炭时，热解温度优选为500℃，热解时间优选为2h。

4.一种芦竹生物炭，其特征在于：按权利要求1或2或3所述方法制备得到。

5.一种强化芦竹生物炭吸附氨氮的方法，其特征在于：将权利要求4所述的芦竹生物炭加入待处理水中即可强化氨氮吸附处理。