一种改性生物炭复合材料及其制备和应用的制作方法

本发明涉及一种利用木屑制备改性生物炭复合材料及其制备方法和吸附去除废水中铅离子的应用，属于生物炭复合材料及其制备和应用技术领域。

背景技术：

化工、金属冶炼及加工生产过程将产生大量的含铅废水，如不经处理或处理不达标而随意排入水体，将会造成水体水质急剧变化，破坏水体生态系统；且含铅污染物会经过水体底泥和水生生物进行富集，再通过食物链进入人体或其他食物链高层的动物体内导致铅中毒。目前我国铅污染严重，各地“血铅”事件频现。

吸附法是处理含铅废水最主要的方法之一，吸附法的关键在于吸附剂的选择，常用的吸附剂主要包括活性氧化铝、铁氧化物、金属氧化物、沸石、活性炭等。生物炭具有原料来源广、结构疏松多孔、表面活性官能多、物理化学性质稳定等特点，近年来，生物炭在环境领域作为水处理吸附剂受到越来越多的重视。但是生物炭表面基团种类单一、结构不均匀、难分散等结构、功能缺陷，限制了其在各领域的发展。

木材广泛应用于纸浆制造、土木工事、家具制造等行业，而在木材的加工制造过程中产生的大量木屑大多被废弃或用作堆肥、作为燃料回收能源等低价值回收，从资源综合利用的角度来说，这是对生物质资源的巨大浪费。而利用产生量大、综合利用率低的木屑，通过硫酸铝改性制备出比表面积大、吸附性能好的改性生物炭复合材料作为吸附剂用于废水中铅离子的去除，不仅实现了木屑的高值回收利用，为含铅废水的处理提供了一种制备成本低、吸附性能强、绿色环保的新型吸附剂。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种改性生物炭复合材料及其制备和应用方法，该材料制备过程简单、生产成本低、对铅离子的吸附容量高，无二次污染，能实现木屑生物质资源的高值化利用。制备的改性生物炭复合材料应用于含铅废水的处理应用方法简单，时间短，操作方便。

为达到上述发明目的，本发明的构思是：利用硫酸铝溶液通过pH调控生成氢氧化铝胶体及其硫酸根离子，与含碳量高的木屑充分搅拌混合，制备改性的生物炭复合材料，可以改变生物炭孔隙结构和提高生物炭比表面积，而且可以显著提高材料表面的官能团数量，增加铅离子吸附的活性位点，从而提高改性生物炭对废水中铅离子的去除效率。

本发明的目的是通过以下方式实现的。

一种改性生物炭复合材料的制备方法，包括如下步骤：将硫酸铝溶液用氢氧化钠溶液调节pH值，再煮沸搅拌，将木屑磨碎，过筛，加入到煮沸的硫酸铝溶液中，充分搅拌，过滤，干燥，将干燥的样品碳化，并通保护性气体保护，升温至终温后保温，冷却，停止通气，再冷却，即得到改性生物炭复合材料。

所述的改性生物炭复合材料的制备方法，将0.005～0.02mol/L硫酸铝溶液用氢氧化钠溶液调节pH值至5.0～7.0。再煮沸搅拌煮沸搅拌5～30min。将木屑磨碎，过140目筛，加入到煮沸的硫酸铝溶液中。所述硫酸铝溶液体积与木屑质量比为50～1000mL/g。

所述的改性生物炭复合材料的制备方法，将磨碎过筛的木屑加入到煮沸的硫酸铝溶液中，磁力搅拌30min，然后室温条件下搅拌3～10小时，抽滤，恒温干燥箱60℃干燥12小时。碳化终温为300～500℃，升温速率为5℃/min，并通氮气保护，升温至终温后保温1h后，冷却至100℃时停止通气，再自然冷却至室温，即得到改性生物炭复合材料。

所述的改性生物炭复合材料用于去除废水中的铅离子。具体是取所述的改性生物炭复合材料加入到铅离子浓度20～500mg/L的含铅废水中，按照改性生物炭复合材料质量与废水体积比为0.1-1g.L-1，室温条件下振荡反应5-720min后，过滤。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供了一种以木屑为原料，硫酸铝改性制备的生物炭复合材料，制备方法简单，生产成本低，物理化学性质稳定，绿色环保无二次污染，产业化应用前景高，采用的木屑来源广、产生量大、综合利用率低，可实现木屑资源的高值化利用。

(2)本发明提供的材料-改性生物炭复合材料，具有很大的比表面积和较高的孔容，材料表面官能团丰富，吸附铅离子活性位点多，可通过改性生物炭材料的截留、表面配合反应、离子交换等作用，实现废水中铅离子的高效去除。

(3)本发明的改性生物炭材料，相比未经改性的纯生物炭，对铅的吸附效果得到显著提升，吸附容量呈数倍增加。改性生物炭处理铅离子浓度在500mg/L以下时，吸附容量可达453.5mg/g，而纯生物炭仅为96.2mg/g。

附图说明

图1为本发明实施例1中改性生物炭复合材料的透射电镜图；

图2为未经硫酸铝改性的纯生物炭复合材料的透射电镜图；

图3为本发明实施例1中改性生物炭复合材料的氮气吸附-脱附等温线图(a)及孔径分布图(b)。

具体实施方式

以下以具体的实施例来说明本发明作进一步说明，但有必要指出以下实施例只用于对发明内容的进一步说明，并不会形成对本发明的限制。

实施例1

将500mL0.01mol/L硫酸铝溶液用氢氧化钠溶液调节pH至5.5，煮沸搅拌10min。将木屑用振动磨样机磨碎，取过140目筛得到的木屑5g加入到煮沸的硫酸铝溶液中，磁力搅拌30min,然后室温条件下搅拌5小时，抽滤，在恒温干燥箱60℃条件下干燥12小时，将烘干的样品碳化，碳化终温为300℃，升温速率为5℃/min，并通氮气保护，升温至终温后保温1h后，冷却至100℃左右时停止通气，再自然冷却至室温，即得到改性生物炭复合材料。

实施例2

将500mL0.02mol/L硫酸铝溶液用氢氧化钠溶液调节pH至6.0，煮沸搅拌10min。将木屑用振动磨样机磨碎，取过140目筛得到的木屑5g加入到煮沸的硫酸铝溶液中，磁力搅拌30min,然后室温条件下搅拌5小时，抽滤，在恒温干燥箱60℃条件下干燥12小时，将烘干的样品碳化，碳化终温为400℃，升温速率为5℃/min，并通氮气保护，升温至终温后保温1h后，冷却至100℃左右时停止通气，再自然冷却至室温，即得到改性生物炭复合材料。

实施例3

室温条件下，用0.02g实施例1制备的材料分别对20mL浓度为80mg/L、200mg/L和500mg/L的含铅溶液进行吸附反应，其中反应时间为6小时，滤液中的铅离子浓度用电感耦合等离子体发射光谱仪测定，铅离子吸附量分别为76.3mg/g、190.9mg/g和453.5mg/g，去除率均达到90％以上。

实施例4

室温条件下，用0.02g实施例2制备的材料分别对20mL浓度为40mg/L、90mg/L、200mg/L和300mg/L的含铅溶液进行吸附反应，其中反应时间为6小时，滤液中的铅离子浓度用电感耦合等离子体发射光谱仪测定，铅离子吸附量分别为32.3mg/g、73.5mg/g、171.6mg/g和252.6mg/g。