一种环境友好型磁性生物炭海绵及其制备方法与应用与流程

1.本发明属于环境功能材料技术领域，具体涉及到一种环境友好型磁性生物炭海绵及其制备方法与应用。


背景技术：

2.污水处理在居民日常生活中起着尤为重要的作用，其中消毒杀菌环节在整个流程中又起着兜底作用，直接关乎居民日常用水水质，因此一种可靠且成本低廉的水环境杀菌方法急需实现。目前传统的水体杀菌方法分为物理法和化学法两种方法：物理法主要通过一些物理手段来达到杀灭水体中细菌的目的，例如光照杀菌(如紫外光)、微孔滤膜过滤、高温灭菌等。化学法则是通过发生化学反应的方式以达到杀灭待处理水体中细菌的目的(如投加杀菌剂)。但这些杀菌方法都有或多或少的问题，物理法如紫外光杀菌虽然效果显著，但其受到水的浊度影响较大，利用紫外光处理浑浊的以及体积较大的水体往往效果较差；高温灭菌通常只能用于少量水体的杀菌，具有较大限制性；而微孔滤膜过滤则存在成本较高，使用周期短的缺陷。化学法则可能会导致二次污染，如添加二氧化氯等化学试剂易导致水体余氯较多。
3.微波是电磁辐射的一种形式，其波长在大约1mm到1m之间，对应的频率分别在300ghz和300mhz之间，其频率高于普通无线电波，低于红外光。微波在现代技术中具有非常广泛的应用，例如点对点通信链路、无线网络、微波无线电中继网络、雷达、卫星和航天器通信、医疗热疗和癌症治疗、遥感、射电天文学、粒子加速器、光谱学、工业加热、防撞系统，车库门开启器和无钥匙进入系统，在微波炉中烹饪食物以及用于灭菌。但微波受水的强吸波性影响导致微波直接作用于水体灭菌效率低下。
4.现有的杀菌方法都存在或多或少的问题，物理法如紫外光杀菌虽然效果显著，但其受到水的浊度影响较大，利用紫外光处理浑浊的以及体积较大的水体往往效果较差；高温灭菌通常只能用于少量水体的杀菌，具有较大限制性；而微孔滤膜过滤则存在成本较高，使用周期短的缺陷。化学法则可能会导致二次污染，如添加二氧化氯等化学试剂易导致水体余氯较多。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种环境友好型磁性生物炭海绵及其制备方法与应用，可以将农业废弃物制备成环境友好型磁性生物炭海绵，再应用于水体灭菌时，结合微波灭菌，灭菌率达99％以上。
6.为达上述目的，本发明提供了一种环境友好型磁性生物炭海绵的制备方法，包括以下步骤：
7.(1)磁性生物炭的制备
8.将干燥的农业废弃物粉碎后浸泡于铁离子溶液中，搅拌后对烘干的粉末进行热解，将热解后的粉末洗涤至中性并研磨细碎；
9.(2)磁性生物炭海绵的制备
10.(2.1)将步骤(1)制备得到的粉末于壳聚糖-乙酸混合液中搅拌均匀后冷冻，制得海绵冻块；
11.(2.2)将步骤(2.1)冷冻后的产品进行冷冻干燥后，浸泡于碱性溶液中，取出海绵并洗涤至洗涤液呈中性；
12.(2.3)将洗涤后的海绵再次冷冻干燥后，制得磁性生物炭海绵。
13.进一步地，步骤(1)中的铁离子溶液为fe
2+
浓度为0.25～0.30mol/l的feso4溶液，农业废弃物的浸泡浓度为62～65g/l。
14.进一步地，步骤(1)中热解温度为400～410℃，热解速率为5℃/min，热解时间为3.0～3.5h。
15.进一步地，步骤(2.1)中的壳聚糖-乙酸混合液中，壳聚糖质量分数为1.5～1.6wt％，乙酸的质量分数为1.8～2.2wt％。
16.进一步地，步骤(2.1)中粉末与壳聚糖-乙酸混合液的比例关系为0.7～0.9g：50ml。
17.进一步地，步骤(2.1)中冷冻的温度为-22～-18℃，冷冻的时间为6～10h。
18.进一步地，步骤(2.2)中冷冻干燥的参数为：冷冻时间温度为-92～-90℃，冷冻压力为0.5～0.8pa，冷冻时间为6～10h。
19.进一步地，步骤(2.2)中碱性溶液为4wt％的naoh水溶液，浸泡的时间为8～12min。
20.采用环境友好型磁性生物炭海绵的制备方法制备得到的磁性生物炭海绵。
21.环境友好型磁性生物炭海绵在水体灭菌领域中的应用，包括与微波结合灭菌。
22.综上所述，本发明具有以下优点：
23.1、水的吸波能力较大，单独通过微波能量杀灭水体中的细菌效率较低，而生物炭的多孔性使微波能量被生物炭孔隙截获并储存，并在接触细菌时释放能量将其杀灭，保证了微波能量散失较少，同时生物炭本身也具备一定的杀菌能力，两者结合使灭菌能力大幅提升；
24.2、本发明制备得到的磁性生物炭海绵结合微波综合水体杀菌，相对于现有技术中的水体灭菌技术，具有灭菌效率高，处理水量大，耗时短，受水质影响小，材料制作成本低的特点，且由于材料具有磁性，便于回收，无二次环境污染问题，可用于污水处理厂污水以及农业灌溉污水的处理；
25.3、本发明的磁性生物炭海绵采用农业废弃物制备，如秸秆等，具有成本低、制备方法简单、绿色环保等优点。
附图说明
26.图1为不同磁性生物炭添加量对灭菌效率的影响；
27.图2为磁性生物炭及微波对灭菌率的影响。
具体实施方式
28.以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的
条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
29.实施例1
30.本实施例提供了一种环境友好型磁性生物炭海绵的制备方法，包括以下步骤：
31.(1)磁性生物炭的制备
32.将玉米秸秆洗净，放入105℃恒定重量的干燥箱中干燥。然后用粉碎机粉碎干燥的玉米秸秆。取粉碎后的玉米秸秆粉25g，浸泡于400ml的fe
2+
浓度为0.27mol/l的feso4溶液中，磁性搅拌0.5h，使其混合均匀。干燥后放入马弗炉，在405℃的热解温度下，以5℃/min的速率进行3.2h的热解。热解后，剩下的黑色粉末用超纯水洗涤至中性ph值，然后干燥研磨，放入密封塑料瓶中备用。
33.(2)磁性生物炭海绵的制备
34.(2.1)称取适量壳聚糖粉末溶解于2wt％乙酸水溶液，分别配制成壳聚糖质量分数为1.5wt％的壳聚糖乙酸混合液，之后持续搅拌至混合液澄清透明；
35.(2.2)将上述混合液转移至多个50ml烧杯中，各加入0.8g的生物炭搅拌均匀；
36.(2.3)将上述混合液分别转移至塑料圆柱形(直径2cm，高1cm)模具中，放置在冰箱内于-20℃的温度条件下冷冻8h；
37.(2.4)将上述冷冻后的产物进行冷冻干燥，冷冻温度为-91℃，冷冻压力为0.7pa，冷冻时间为8h，cs海绵初步形成(此时的海绵中含有未除去的乙酸分子)；
38.(2.5)为去除壳聚糖海绵中的乙酸，将上述冷冻干燥后的壳聚糖海绵分别溶解于为4wt％naoh水溶液中10min后，取出样品，用超纯水清洗至洗涤液为中性；
39.(2.6)将清洗过的海绵再次冷冻干燥，制得磁性生物炭海绵。
40.实施例2
41.本实施例提供了一种环境友好型磁性生物炭海绵的制备方法，包括以下步骤：
42.(1)磁性生物炭的制备
43.将玉米秸秆洗净，放入100℃恒定重量的干燥箱中干燥。然后用粉碎机粉碎干燥的玉米秸秆。取粉碎后的玉米秸秆粉25g，浸泡于400ml的fe
2+
浓度为0.25mol/l的feso4溶液中，磁性搅拌0.5h，使其混合均匀。干燥后放入马弗炉，在405℃的热解温度下，以5℃/min的速率进行4h的热解。热解后，剩下的黑色粉末用超纯水洗涤至中性ph值，然后干燥研磨，放入密封塑料瓶中备用。
44.(2)磁性生物炭海绵的制备
45.(2.1)称取适量壳聚糖粉末溶解于2wt％乙酸水溶液，分别配制成壳聚糖质量分数为1.5wt％的壳聚糖乙酸混合液，之后持续搅拌至混合液澄清透明；
46.(2.2)将上述混合液转移至多个50ml烧杯中，各加入0.8g的生物炭搅拌均匀；
47.(2.3)将上述混合液分别转移至塑料圆柱形(直径2cm，高1cm)模具中，放置在冰箱内于-20℃的温度条件下冷冻8h；
48.(2.4)将上述冷冻后的产物进行冷冻干燥，冷冻温度为-90℃，冷冻压力为0.7pa，冷冻时间为8h，cs海绵初步形成(此时的海绵中含有未除去的乙酸分子)；
49.(2.5)为去除壳聚糖海绵中的乙酸，将上述冷冻干燥后的壳聚糖海绵分别溶解于为4wt％naoh水溶液中10min后，取出样品，用超纯水清洗至洗涤液为中性；
50.(2.6)将清洗过的海绵再次冷冻干燥，制得磁性生物炭海绵。
51.实施例3
52.本实施例提供了一种环境友好型磁性生物炭海绵的制备方法，包括以下步骤：
53.(1)磁性生物炭的制备
54.将玉米秸秆洗净，放入105℃恒定重量的干燥箱中干燥。然后用粉碎机粉碎干燥的玉米秸秆。取粉碎后的玉米秸秆粉25g，浸泡于400ml的fe
2+
浓度为0.27mol/l的feso4溶液中，磁性搅拌0.5h，使其混合均匀。干燥后放入马弗炉，在400℃的热解温度下，以5℃/min的速率进行3h的热解。热解后，剩下的黑色粉末用超纯水洗涤至中性ph值，然后干燥研磨，放入密封塑料瓶中备用。
55.(2)磁性生物炭海绵的制备
56.(2.1)称取适量壳聚糖粉末溶解于2wt％乙酸水溶液，分别配制成壳聚糖质量分数为1.5wt％的壳聚糖乙酸混合液，之后持续搅拌至混合液澄清透明；
57.(2.2)将上述混合液转移至多个50ml烧杯中，各加入0.85g的生物炭搅拌均匀；
58.(2.3)将上述混合液分别转移至塑料圆柱形(直径2cm，高1cm)模具中，放置在冰箱内于-20℃的温度条件下冷冻8h；
59.(2.4)将上述冷冻后的产物进行冷冻干燥，冷冻温度为-91℃，冷冻压力为0.7pa，冷冻时间为8h，cs海绵初步形成(此时的海绵中含有未除去的乙酸分子)；
60.(2.5)为去除壳聚糖海绵中的乙酸，将上述冷冻干燥后的壳聚糖海绵分别溶解于为4wt％naoh水溶液中10min后，取出样品，用超纯水清洗至洗涤液为中性；
61.(2.6)将清洗过的海绵再次冷冻干燥，制得磁性生物炭海绵。
62.试验例1
63.磁性生物炭海绵在水体灭菌领域中的应用，包括以下步骤：
64.(1)取五只250ml锥形瓶各装入45ml 0.9％生理盐水和5ml原菌液，再分别装入不同质量的磁性生物炭粉末(
①
0.05g，
②
0.1g，
③
0.15g，
④
0.2g，
⑤
0.3g共五组)，作为实验组，微波480w加热20s(24℃-45℃)。
65.(2)取空白组不添加磁性生物炭，将空白组与实验组静置10min后澄清液进行梯度稀释并进行细菌培养计数，结果如图1所示，随着磁性生物炭添加量的增加，剩余活菌数不断下降，灭菌效率逐渐提升，在磁性生物炭添加量在达到0.2g后灭菌率增长逐渐减缓。
66.(3)对不同微波功率及微波时间对该技术灭菌率可能造成的影响进行分析，显然，随着微波功率的增大和持续时间的增加，灭菌率会随之增加，因此在预实验的基础上，保证在不同功率和时间下水体的温度变化相等，进而得到不同微波功率以及微波时间下的灭菌效果如表1所示：
67.表1不同微波功率以及微波时间下的灭菌效果
[0068][0069]
由表1可知：在不同微波功率及微波时间的条件下，若水温变化相等，剩余活菌数差别较小，均为同一数量级，由此可知，灭菌过程只需保证微波功率和微波时间对水体的加热程度相同，则灭菌率不会受到较大影响。
[0070]
(4)实验组设置为：在250ml锥形瓶内加入50ml大肠杆菌原液，并加入0.2g磁性生物炭粉末，微波720w加热10s。空白组1除不加入磁性生物炭，其余条件与实验组相同；空白组2除不采用微波加热，其余条件与实验组相同。磁性生物炭及微波对灭菌率的影响实验结果如图2所示。
[0071]
由图2可知，相同条件下，磁性生物炭本身的灭菌率为0.9％，而微波对水体灭菌，灭菌率也只有91.5％，而添加磁性生物炭后，微波短时间灭菌效率高达98％。实验可知微波为主要影响因素，同时磁性生物炭本身的灭菌能力并不强，其在微波灭菌过程中主要起着较大的辅助增强作用。
[0072]
综上所述，在添加磁性生物炭的情况下，微波的灭菌率有极大提升，且在微波功率及微波时间的共同影响下只需保证水温升高程度一致即可。
[0073]
虽然对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。