一种咖啡渣生物炭及水中尿素的去除方法与流程

1.本发明属于水处理技术领域，尤其涉及一种咖啡渣生物炭及水中尿素的去除方法。


背景技术：

2.半导体工业是一个高耗水的行业，尤其在水资源有限的情形下，限水、缺水对半导体生产企业的营运产生巨大压力。目前，越来越多的超纯水系统采用再生水作为水源，用再生水代替部分市政用水是大趋势，也是半导体行业不可避免的课题。
3.但同自来水相比，再生水中有机物含量往往偏高，像一类的小分子有机物难以通过传统的超纯水制备系统去除，会造成终端供水toc超标。因此需要寻找有效方法去除再生水中的尿素，以实现对水资源有效利用的同时，保证半导体行业的终端供水水质。
4.目前，传统的超纯水系统中，常用于有机物去除的工艺有活性炭吸附、反渗透、uv等。但是，活性炭吸附只能去除一些较大的非极性分子，而一些水溶性高的极性小分子（如：异丙醇、尿素等）则不能被有效地被吸附。由于尿素是一种不带电荷的小分子，既不能通过尺寸排斥被去除，也不能通过电荷排斥被去除，因此通过反渗透工艺也很难去除水中的尿素。另外，尿素对uv辐射的吸收能力较弱，单独依靠uv辐射无法破坏尿素中的n键，所以通过uv也很难去除水中的尿素。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种咖啡渣生物炭及水中尿素的去除方法，该处理方法可除去水中的微量尿素。
6.本发明提供了一种水中尿素的去除方法，包括：将改性咖啡渣生物炭、过硫酸盐与含有尿素的水溶液混合，振荡反应，得到处理后的水溶液；所述改性咖啡渣生物炭按照以下方法制备：将咖啡渣在限氧条件下进行第一次高温煅烧，研磨后，得到咖啡渣生物炭；将所述咖啡渣生物炭进行第二次高温煅烧，得到改性咖啡渣生物炭。
7.优选的，所述咖啡渣真空干燥后用铝箔包裹；所述真空干燥的温度为100℃~110℃；所述真空干燥的时间为20~30 h；所述研磨至粒径小于等于80目。
8.优选的，所述限氧条件通过金属箔包裹提供；所述第一次高温煅烧的温度为800℃~1000℃；所述第一次高温煅烧的时间为1~3 h；所述第一次高温煅烧的升温速率为1~10℃/min。
9.优选的，所述第一次高温煅烧的温度为900℃；所述第一次高温煅烧的时间为2 h；所述第一次高温煅烧的升温速率为5℃/min。
10.优选的，所述第二次高温煅烧的温度为500℃~600℃；所述第二次高温煅烧的时间为2~6 h；所述第二次高温煅烧的升温速率为1~5℃/min。
11.优选的，所述第二次高温煅烧的温度为550℃；所述第二次高温煅烧的时间为4 h；所述第二次高温煅烧的升温速率为2℃/min。
12.优选的，所述含有尿素的水溶液为再生水；所述过硫酸盐选自过硫酸钠和/或过硫酸钾；所述改性咖啡渣生物炭与过硫酸盐的质量比为（0.05~0.8）：（0.5~6）。
13.优选的，所述改性咖啡渣生物炭与含有尿素的水溶液的比例为（0.05~0.8）g：1 l；所述过硫酸盐与含有尿素的水溶液的比例为（0.5~6）g：1 l。
14.优选的，所述改性咖啡渣生物炭与含有尿素的水溶液的比例为0.4 g：1 l；所述过硫酸盐与含有尿素的水溶液的比例为2 g：1 l。
15.本发明还提供了一种改性咖啡渣生物炭的制备方法，包括：将咖啡渣在限氧条件下进行第一次高温煅烧，研磨后，得到咖啡渣生物炭；将所述咖啡渣生物炭进行第二次高温煅烧，得到改性咖啡渣生物炭。
16.本发明提供了一种水中尿素的去除方法，包括：将改性咖啡渣生物炭、过硫酸盐与含有尿素的水溶液混合，振荡反应，得到处理后的水溶液；所述改性咖啡渣生物炭按照以下方法制备：将咖啡渣在限氧条件下进行第一次高温煅烧，研磨后，得到咖啡渣生物炭；将所述咖啡渣生物炭进行第二次高温煅烧，得到改性咖啡渣生物炭。与现有技术相比，本发明通过利用咖啡渣制备生物炭材料，并通过简单的改性得到改性生物炭材料，利用其活化过硫酸盐催化去除再生水中的微量尿素，保证超纯水制备系统稳定运行，供水toc达标，同时为资源化利用提供基础。
附图说明
17.图1为本发明实施例1中过硫酸盐投加量对尿素去除效果影响的柱形图；图2为本发明实施例2中改性咖啡渣生物炭投加量对尿素去除效果影响的柱形图；图3为本发明实施例3中初始ph值对尿素去除效果影响的柱形图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.本发明提供了一种改性咖啡渣生物炭的制备方法，包括：将咖啡渣在限氧条件下进行第一次高温煅烧，研磨后，得到咖啡渣生物炭；将所述咖啡渣生物炭进行第二次高温煅烧，得到改性咖啡渣生物炭。
20.其中，本发明对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可。
21.所述咖啡渣为采用咖啡豆制备咖啡饮品剩余的残渣，其烘干后即得本发明的原料；在本发明中优选将咖啡渣先进行真空干燥；所述真空干燥的温度优选为100℃~110℃，更优选为105℃；所述真空干燥的时间优选为20~30 h，更优选为22~26 h，再优选为24 h。
22.真空干燥后在限氧条件下进行第一次高温煅烧；所述限氧条件优选通过金属箔包裹提供；所述金属箔需保证在高温煅烧的条件下不融化，在本发明中优选为铝箔；所述第一次高温煅烧的温度优选为800℃~1000℃，更优选为850℃~950℃，再优选为900℃；所述第一
次高温煅烧的时间也即保温时间优选为1~3 h，更优选为1.5~2.5 h，再优选为2 h；所述第一次高温煅烧的升温速率优选为1~10℃/min，更优选为3~8℃/min，再优选为5~8℃/min，最优选为5℃/min。
23.第一次高温煅烧结束后优选自然冷却，研磨，得到咖啡渣生物炭；所述研磨优选至粒径小于等于80目。
24.将所述咖啡渣生物炭进行第二次高温煅烧；所述第二次高温煅烧的温度优选为500℃~600℃，更优选为550℃；所述第二次高温煅烧的时间也即保温时间优选为2~6 h，更优选为3~5 h，再优选为4 h；所述第二次高温煅烧的升温速率优选为1~5℃/min，更优选为2~4℃/min，再优选为2~3℃/min，最优选为3℃/min。
25.第二次高温煅烧后，优选自然冷却，即可得到改性咖啡渣生物炭。
26.本发明采用来源广泛的咖啡渣为原料，原料易得，来源广泛，减轻了废弃咖啡渣的处理压力，且制备方法简单，变废为宝，实现了资源化利用，实现了低成本高收益。
27.本发明还提供了一种上述改性咖啡渣生物炭在水处理中的应用；所述水处理优选为水中尿素的处理。
28.本发明还提供了一种水中尿素的去除方法，包括：将改性咖啡渣生物炭、过硫酸盐与含有尿素的水溶液混合，振荡反应，得到处理后的水溶液；所述改性咖啡渣生物炭按照以下方法制备：将咖啡渣在限氧条件下进行第一次高温煅烧，研磨后，得到咖啡渣生物炭；将所述咖啡渣生物炭进行第二次高温煅烧，得到改性咖啡渣生物炭。
29.其中，本发明对所有原料的原料并没有特殊的限制，为市售即可；所述改性咖啡渣生物炭即为按照上述方法制备得到，在此不再赘述。
30.将改性咖啡渣生物炭、过硫酸盐与含有尿素的水溶液混合，振荡反应，得到处理后的水溶液；所述过硫酸盐优选为过硫酸钠和/或过硫酸钾；所述改性咖啡渣生物炭与过硫酸盐的质量比为（0.05~0.8）：（0.5~6），更优选为（0.1~0.8）：（0.5~4），再优选为（0.2~0.6）：（1~3），最优选为0.5：2；所述改性咖啡渣生物炭与含有尿素的水溶液的比例优选为（0.05~0.8）g：1 l，更优选为（0.1~0.8）g：1 l，再优选为（0.2~0.6）g：1 l，最优选为0.4 g：1 l；所述过硫酸盐与含有尿素的水溶液的比例优选为（0.5~6）g：1 l，更优选为（0.5~4）g：1 l，再优选为（1~3）g：1 l，最优选为2 g：1 l；所述含有尿素的水溶液中尿素的含量优选为小于等于1 mg/l；所述含有尿素的水溶液的ph值优选为3~10，更优选为3~9，再优选为3~8，最优选为3~7；所述含有尿素的水溶液为本领域技术人员熟知的包含尿素的废水即可，并无特殊的限制，本发明中优选为再生水；所述振荡反应优选在室温条件下进行；所述振荡反应的转速优选为100~300 r/min，更优选为100~250 r/min，再优选为150~200 r/min，最优选为180 r/min；所述振荡反应的时间优选为3~10 h，更优选为4~8 h，再优选为5~6 h。
31.本发明利用改性咖啡渣生物炭活化过硫酸盐的工艺去除水中的尿素，尤其是去除再生水中微量尿素，是一种绿色环保、经济可行的方法，实现了咖啡渣废弃物的再利用，提高了生物质资源利用效率，为资源化利用提高了基础，同时保障了超纯水系统的出水水质，保证超纯水制备系统稳定运行，供水toc达标。
32.为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种咖啡渣生物炭及水中尿素的去除方法进行详细描述。
33.以下实施例中所用的试剂均为市售。
34.实施例1一种改性咖啡渣生物炭的制备及其在不同的过硫酸钠投加量下对低浓度尿素的去除效果，包括以下步骤：1.1将烘干的咖啡渣置于105℃的真空干燥箱中烘24小时；1.2将咖啡渣置于陶瓷坩埚中，包上铝箔纸，盖上盖子放在马弗炉中，以5℃/min的升温速率加热到900℃，并保留时间2小时，自然冷却后开炉取出；1.3将冷却后的生物炭研磨过80目的筛子，即得到咖啡渣生物炭产品；1.4将咖啡渣生物炭置于陶瓷坩埚中，放在马弗炉中，以2℃/min的升温速率加热到550℃，并保留时间4小时，自然冷却后开炉取出，即得到最终的改性咖啡渣生物炭产品；1.5在500 ml的锥形瓶中加入400 ml配置的1 mg/l的尿素溶液，不调节溶液的初始ph。之后，向尿素溶液中加入0.2 g/l的改性生物炭，并加入不同浓度（0.8、1、2、4、6 g/l）的过硫酸盐诱导反应。将锥形瓶放置于恒温振荡器中（180 r/min, 25℃），5小时后停止反应。将所得样品通过45 μm的滤膜后，将滤液利用uv进行吸光度测定，并根据尿素的标准曲线换算浓度并记录，得到结果如图1所示。所有实验一式三份，结果取平均值。
35.由图1可知，利用改性生物炭活化过硫酸盐可以有效的去除再生水中的尿素，在过硫酸盐投加量为2 g/l 时能达到最佳去除效果，去除率达91.4 %。
36.实施例2将本发明实施案例1制备的改性生物炭以不同投加量置于尿素溶液中进行催化。
37.在500 ml的锥形瓶中加入400 ml配置的1 mg/l的尿素溶液，不调节溶液的初始ph。之后，分别准确称取实验案例1制备的生物炭样品（0.05、0.1、0.2、0.4、0.8 g/l)于500 ml的锥形瓶中，并加入2 g/l的过硫酸盐诱导反应。将锥形瓶放置于恒温振荡器中（180 r/min, 25℃），5小时后停止反应。将所得样品通过45 μm的滤膜后，将滤液利用uv进行吸光度测定，并根据尿素的标准曲线换算浓度并记录，得到结果如图2所示。所有实验一式三份，结果取平均值。
38.由图2可知，利用改性生物炭活化过硫酸盐可以有效的去除再生水中的尿素，在改性生物炭投加量为0.4 g/l 时能达到最佳去除效果，去除率达94.4 %。
39.实施例3将本发明实施案例1制备的改性生物炭置于不同ph的尿素溶液中进行催化。
40.在500 ml的锥形瓶中加入400 ml配置的1 mg/l的尿素溶液，用0.1 mol/l的盐酸和氢氧化钠将溶液的ph调为3、4、5、6、7、8、9、10。之后，分别准确称取实验案例1制备的生物炭样品0.2 g/l加入500 ml的锥形瓶中，并加入2 g/l的过硫酸盐诱导反应。将锥形瓶放置于恒温振荡器中（180 r/min, 25℃），5小时后停止反应。将所得样品通过45 μm的滤膜后，将滤液利用uv进行吸光度测定，并根据尿素的标准曲线换算浓度并记录，得到结果如图3所示。所有实验一式三份，结果取平均值。
41.从图3中可以看出，溶液的初始ph对尿素的吸附影响较小，在较宽ph范围内均能有效去除尿素。其中，ph为中性及酸性条件下更利于尿素的去除，能去除90 %以上的尿素。