本发明属于生物炭材料改性技术领域，涉及一种双氧水和紫外照射协同提高生物炭含氧基团的工艺。
背景技术：
近年来，生物炭作为一种新型环境材料，因具有制备来源广泛、生产成本低廉、对污染物去除能力强的特点，成为在土壤、水体和空气环境介质的污染防治中有力武器。作为一种与活性炭截然不同的材料，活性炭主要依靠巨大比表面积对污染物产生物理吸附，生物炭主要依靠分布其表面的化学官能团与污染物形成新的化学键，从而产生污染物去除效果，并且这种化学官能团与污染物之间形成的化学键作用十分稳定，因此，生物炭对污染物的去除效果更稳定。大量的研究证实，对污染物去除能力的高低与生物炭材料的化学官能团，尤其是含氧基团（羧基、内酯基、酚羟基）数量多少相关。然而，未经改性的生物炭材料表面含氧基团数量较少，这成为制约生物炭在污染物防控应用中的限制因子，因此，提高生物炭含氧基团数量成为亟待解决的技术问题。
前人尝试用化学湿法对炭材料进行改性处理，从而增多材料表面的有机官能团数量。中国申请号201110409394.2公布了一种用重氮化试剂处理活性炭，从而在活性炭表面固定含氮官能团。该方法在生成过程中引入外源离子，并且生产成本高。中国申请号201380042335.3公布了一种以改善活性炭亲水性而增加表面碱性官能团的方法，但该方法工序繁琐，使用化学试剂多，容易产生二次污染问题。显然，为了获得更多含氧基团，必须寻找其他的技术突破。非专利文献1和2（[1]丁文川,权国卿,曾晓岚,罗万申,厉晓宇,李桥,雍毅.紫外辐照引入含氧官能团对生物炭吸附气体和水中苯的影响[j].环境科学学报,2017,(02):657-663.[2]李桥,雍毅,丁文川,侯江,高屿涛,曾晓岚.紫外辐照改性生物炭对vocs的动态吸附[j].环境科学,2016,(06):2065-2072.）报道生物炭材料在365nm紫外光照射后，可以显著提高含氧基团数量。同时，也有研究证明，双氧水可以显著提高含氧基团数量。因此，可以利用双氧水和紫外照射协同处理生物炭，增加生物炭材料含氧基团数量。
我们发明了一种对生物炭材料进行双氧水和紫外照射协同处理的后处理工艺，该工艺获得的生物炭材料含氧基团数量，显著高于单独双氧水处理或单独紫外照射处理以及未改性处理。本发明工艺工序简单，处理过程无化学试剂污染，成本低廉，成效明显，工艺易于规模化推广。
技术实现要素：
本发明的目的是通过双氧水和紫外线联合改性作用，提供一种提高生物炭材料表面含氧基团含量的工艺。
本发明的双氧水与紫外线协同提高生物炭含氧基团工艺，包括如下步骤。
（1）将制备好的生物炭材料过60目筛，洗净烘干后用双氧水浸泡，其中双氧水的使用浓度为30%，生物炭的浓度为1%-20%（w/v）。
（2）将生物炭与双氧水的混合物加温至40-80℃，在200rpm转速下磁力搅拌3-36h，过滤，保持生物炭表面仍保留有双氧水存在，若表面已干燥，需将30%浓度的双氧水再次喷雾到生物炭表面。
（3）将生物炭材料平摊在温控电热板之上，厚度控制在3mm以内，加温至100-500℃范围。
（4）在生物炭材料垂直上方50cm处，放置紫外辐射灯，紫外辐射主谱线波长范围为10-380nm，辐射功率4-150w，照射时间为12-48h，照射过程中，每12h将生物炭翻动1次，并再次喷雾双氧水，保持生物炭表面始终存在雾化双氧水。
（5）紫外照射结束后，将生物炭材料收集至牛皮纸袋中，于烘箱中60℃烘至恒重后，即制得高含氧基团生物炭。
本发明所指的生物炭材料是以矿物（煤炭、石墨）、植物残体（树干、枝叶、果实、秸秆）和有机废物（污泥、塑料、废弃纸张）为原料，通过低温热裂解技术制备的稳定芳香性固体。
本发明中生物炭与双氧水的使用比例为1%-20%（w/v），优选比例为5%-20%（w/v），最优选比例为10%。
本发明中生物炭与双氧水混合温度范围40-80℃，优选60-80℃，最优选为60℃，磁力搅拌的时间范围为3-36h，优选为12-36h，最优选为24h。
本发明中温控电热板的温度范围控制在100-500℃，优选为100-300℃，最优选为200℃。
本发明中紫外辐射主谱线波长范围为10-380nm，优选为150--380nm，最优选为254nm。
本发明中紫外辐射灯功率范围为4-150w，优选为50-150w，最优选为100w。
本发明中紫外照射时间范围为12-48h，优选为12-24h，最优选为24h。
本发明的技术原理为双氧水氧化作用和紫外光的接枝作用。首先，双氧水可以氧化生物炭表面及内部空隙中的表面基团，增加生物炭材料表面及内部空隙中羧基酸性基团的数量。其次，紫外光接枝方法的主要原理为自由基聚合机制，主要利用紫外光引发单体在生物炭表面进行接枝聚合，从而引起羧基、羟基、内酯基这些极性含氧基团数量增加。另外，双氧水在紫外光照射下，还可以形成羟基自由基，羟基自由基的氧化能力极强，可以增加生物炭表面氧化，形成更多的含氧基团。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
（1）本发明使用的只使用双氧水，没有使用其他化学试剂，不会向生物炭材料引入外源离子污染。
（2）本发明处理成本低廉，操作简便，无需大型设备辅助，安全可靠，适宜规模化操作。
（3）本发明使用的双氧水和紫外线为公认的绿色氧化技术，工艺不产生二次污染，技术手段绿色友好。
（4）与单独使用双氧水或单独使用紫外照射相比，本发明利用双氧水和紫外照射协同处理制备的生物炭材料含氧基团显著提高。
（5）紫外接枝改性形成的接枝聚合链与生物炭材料表面化学键连接，可稳定持续保持表面接枝改性获得的含氧基团。
附图说明
图1是含氧基团数量在实施例1、实施例2、对照例1、对照例2与未处理生物炭材料中的比较。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述。
实施例1
将制备好的生物炭材料过60目筛，洗净烘干后用双氧水浸泡，双氧水的使用浓度为30%，生物炭的浓度为10%（w/v）。将生物炭与双氧水的混合物加温至60℃，在200rpm转速下磁力搅拌24h，过滤，保持生物炭表面仍保留有双氧水存在。若表面已干燥，需将30%浓度的双氧水再次喷雾到生物炭表面。将生物炭材料平摊在温控电热板之上，厚度控制在3mm以内，加温至200℃。在生物炭材料垂直上方50cm处，放置紫外辐射灯，紫外辐射主谱线波长范围为254nm，辐射功率100w，照射时间为24h。照射过程中，每12h将生物炭翻动1次，并再次喷雾双氧水，保持生物炭表面始终存在雾化双氧水。紫外照射结束后，将生物炭材料收集至牛皮纸袋中，于烘箱中60℃烘至恒重后，即制得高含氧基团生物炭。
实施例2
将制备好的生物炭材料过60目筛，洗净烘干后用双氧水浸泡，双氧水的使用浓度为30%，生物炭的浓度为20%（w/v）。将生物炭与双氧水的混合物加温至40℃，在200rpm转速下磁力搅拌12h，过滤，保持生物炭表面仍保留有双氧水存在。若表面已干燥，需将30%浓度的双氧水再次喷雾到生物炭表面。将生物炭材料平摊在温控电热板之上，厚度控制在3mm以内，加温至200℃。在生物炭材料垂直上方50cm处，放置紫外辐射灯，紫外辐射主谱线波长范围为185nm，辐射功率100w，照射时间为36h。照射过程中，每12h将生物炭翻动1次，并再次喷雾双氧水，保持生物炭表面始终存在雾化双氧水。紫外照射结束后，将生物炭材料收集至牛皮纸袋中，于烘箱中60℃烘至恒重后，即制得高含氧基团生物炭。
对比例1
将制备好的生物炭材料过60目筛，洗净烘干后用双氧水浸泡，双氧水的使用浓度为30%，生物炭的浓度为10%（w/v）。将生物炭与双氧水的混合物加温至60℃，在200rpm转速下磁力搅拌24h，过滤干燥。
对比例2
生物炭材料垂直上方50cm处，放置紫外辐射灯，紫外辐射主谱线波长范围为254nm，辐射功率100w，照射时间为24h。照射过程中，每12h将生物炭翻动1次。紫外照射结束后，将生物炭材料收集至牛皮纸袋中，烘干备用。
分析对比例1（单独双氧水处理）、对比例2（单独紫外照射）、未处理以及实施例1
和实施例2中生物炭材料的含氧基团结果（图1），可以观察到，采用双氧水与紫外照射协同提高生物炭含氧基团工艺后，羧基、内酯基、酚羟基和总含氧基团数量都明显增加，均高于对比例1（单独双氧水处理）、对比例2（单独紫外照射）、未处理以及实施例1和实施例2。这表明本发明能有效提高生物炭材料含氧基团数量。
尽管已经详细描述了本发明的实例，对于实际操作人员来说，可以理解在不脱离本发明的原理和精神下可以对实例进行多种变化、修改。