本发明涉及水处理技术领域，且特别涉及一种用于吸附水中六价铬的竹基活性炭及制备方法、使用方法。
背景技术：
我国是世界上最贫水的国家之一，且随着工业发展，城市生活饮用水源受污染程度日益加剧，同时随着生活水平的提高，人们对饮用水质的要求以及饮用水质的标准越来越严格。铬是一种过渡性金属元素，在自然界中最常见的化合物是三价和六价，只有三价铬才是人和动物所必需的。而六价铬是一种强氧化剂，具有强致癌变、致畸变、致突变作用，对生物伤害较大。在电镀、制革、水泥、油墨等工业行业中，都有大量的含铬废水排出，严重影响人们的正常生活和生产，各国普遍把铬污染列为重点防治对象，特别是含铬废水的去除是当今环境保护的重要课题。
目前市场上用于水处理的活性炭材料，作用原理主要是通过物理吸附作用的方法将污染物与水进行分离。活性炭具有巨大的比表面积以及发达的孔隙结构，对多种污染成分具有较强的吸附能力。但是传统化学制备活性炭时，主要采用强碱为活化剂，对环境污染大、对设备腐蚀严重、成本高。此外，传统方法制得的活性炭孔洞大，表面官能团含量低，吸附性能差。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于吸附水中六价铬的竹基活性炭的制备方法，此方法操作简单、反应条件温和、制备时间短、效率高。
本发明的另一目的在于提供一种用于吸附水中六价铬的竹基活性炭，此竹基活性炭经过微波辅助氧化剂改性，表面官能团含量高，孔洞均匀，对水中六价铬具有良好的吸附效果。
本发明的另一目的在于提供上述竹基活性炭吸附水中六价铬的使用方法，有效提高竹基活性炭的吸附速率和吸附容量。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种用于吸附水中六价铬的竹基活性炭的制备方法，其包括以下步骤：
预处理步骤：将竹废料干燥后粉碎，得到竹粉；
活化步骤：将竹粉分散于磷酸溶液中，微波反应后得到活性炭基体；
改性步骤：将活性炭基体分散于氧化剂中，微波反应后得到改性的竹基活性炭。
本发明提出一种用于吸附水中六价铬的竹基活性炭，其根据上述的制备方法制备得到。
本发明提出一种上述的竹基活性炭吸附水中六价铬的使用方法，将竹基活性炭分散于含六价铬的废水中，调整ph值至4～6，超声处理40～60min。
本发明的有益效果是：
竹子生长更新速度快、年生长量大、固碳能力强、可隔年连续采伐等，是理想的森林碳汇树种。竹材加工后会产生大量的剩余废料，将竹废料作为制备竹基活性炭的原料，可有效降低原料成本，促进废弃资源循环利用，为竹废料的资源化利用提供高效的新技术。
制备过程中，竹废料中含有丰富的纤维素、半纤维素、木质素等，竹废料经过预处理，得到小粒径的竹粉。极大增加物料的表面积，增加了固液的接触面积，保证后续的活化、改性等过程顺利高效进行，同时改善了产品的吸附效果。
采用磷酸结合微波法对竹废料进行活化，能够在短时间内制备得到活性炭基体。相比于传统的高温活化法，磷酸结合微波法进行活性炭的制备，具有效率高、节能方便的特点。微波辅助磷酸活化，能够使得活性炭形成的孔洞均匀，介孔数量高，增加产品的比表面积和吸附能力。利用微波辐照辅助氧化剂对活性炭基体进行改性处理，微波辐射加热均匀，能耗低，在微波以及氧化剂的共同作用下，氧化剂可以和炭发生氧化反应，起到造孔作用，增大活性炭的比表面积。更为重要的是，氧化剂在微波的作用下，能够快速与炭发生发应，对炭表面进行改性，提高活性炭表面官能团含量，增加产品表明的吸附位点和吸附活性，改善对相对分子质量较小的极性化合物的吸附性能。
此外，本发明的竹基活性炭吸附水中六价铬的使用方法，通过改变酸碱性能可以提高对六价铬的吸附速率和吸附容量。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。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。
下面对本发明实施例的用于吸附水中六价铬的竹基活性炭及制备方法、使用方法进行具体说明。
本发明实施例提供的一种用于吸附水中六价铬的竹基活性炭的制备方法，其包括以下步骤：
首先，以竹废料为原材料，将竹废料干燥后粉碎，得到竹粉。竹废料可以是采伐剩余物，如竹梢、竹枝丫、竹叶等，也可以是竹机械加工过程中产生的边角料，如竹青、竹碎屑等。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，将竹废料粉碎至粒径为0.1～0.2mm。该粒径下，能够保证竹粉与活性剂等具有较大的接触面积，促进反应的进行，保证后续活化、改性等步骤高效进行。进一步优选地，将竹废料置于密闭环境中，通入温度为130～170℃，压力为1～2mpa的水蒸汽进行预解处理。然后对预解后的竹废料进行干燥、粉碎处理。预解处理可以有效破坏竹子的硅胶层等，在一定程度上是竹纤维发生断裂，有利于对竹废料进行粉碎，且在后续活化或改性过程中，能够使得活化剂和改性剂更容易渗入物料的内部，更易在产品的表面形成更多的功能基团。更进一步地，干燥条件为70～90℃下干燥45～60min。
得到一定粒度的竹粉后，进行活化步骤：将竹粉分散于磷酸溶液中，微波反应后得到活性炭基体。优选地，该步骤中，微波反应的时间为5～8min，反应温度为120～140℃。微波结合磷酸进行活化，能够在短时内完成原料的炭化过程。
磷酸具有脱水和氧化作用，在微波加热炭化过程中，磷酸可以催化竹粉脱水，同时抑制焦油和其它含碳挥发物的形成，竹材中的碳得以更多地保留。与传统的高温加热方法相比，微波加热具有速度快，效率高，加热均匀，节能环保，操作简便，便于自动控制等优点，能够极大地提高化学反应速率，缩短反应时间，减少耗能。采用微波辐射方式，能够降低活化时间，减少磷酸的用量，得到整体性和均匀性练好的产品。优选地，先将竹粉和磷酸溶液的混合液超声处理30～40min后，再进行微波反应。该过程能够促进竹基活性炭介孔的形成，提升产品的吸附性能。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，磷酸溶液的质量分数为30～45％。进一步地，使用质量分数为35％的磷酸溶液进行活化。磷酸浓度过高，则会对竹粉形成过度剥蚀，形成大孔，降低介孔数量；浓度过低，则无法得到的脱水合和氧化效果。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，活化步骤中，还包括将活化后得到的活性炭基体洗涤至ph中性。
得到ph中性的活性炭基体后，将活性炭基体分散于氧化剂中，微波反应后得到改性的竹基活性炭。优选地，该步骤中，微波反应的时间为3～5min，反应温度为130～160℃。
采用氧化剂和微波辐照协同对活性炭进行改性处理，改性方法简单，成本低，效率高。氧化剂能够与炭发生氧化反应，起到造孔作用，增大活性炭的比表面积，其在改性过程中能够产生水分和氧气，增加活性炭的孔隙数量。氧化剂和微波协同作用能够极大改善活性炭的表观结构和孔隙结构，增加其表面有益于铬吸附的化学官能团的种类和数量，使得活性炭对是水中铬吸附能力显著提高。
微波反应温度和时间都对活性炭的改性具有重要影响。微波反应温度过高或时间过长，可能导致炭的燃烧和已生产的孔结构坍塌，活性炭的吸附能力下降。微波反应温度过低或时间过短，则导致活化不充分，孔隙结构发展不好，产品吸附性能差。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，氧化剂选为双氧水溶液。在本实施例中，氧化剂为质量分数为40～50％的双氧水溶液。原料易得，使用方便。
本发明实施例提供一种用于吸附水中六价铬的竹基活性炭，根据上述的制备方法制备得到。
本发明实施例提供一种上述制备得到的竹基活性炭吸附水中六价铬的使用方法，其包括：将竹基活性炭分散于含六价铬的废水中，调整ph值至4～6，超声处理40～60min。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，按照投料比4～8g/l将竹基活性炭分散于含六价铬的废水中。上述制得的竹基活性炭对六价铬具有良好的吸附作用，合理控制投料比，既能满足对六价铬的吸附需求，又能够避免浪费。
将废水的ph值调整至4～6，发明人研究发现，改变处理环境的酸碱度，能够改善对竹基活性炭对六价铬的吸附效果。在ph值为4～6时，能够达到较好的吸附效果。进一步地，使用单宁酸调节废水的ph值。单宁酸除了调节废水的ph值，能够与废水中的金属离子发生螯合作用，进一步加强对六价铬离子的吸附。
在超声波辅助下进行六价铬的吸附，利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用等，一方面使得竹基活性炭分散，与废水形成良好接触。另一方面，超声能够进一步加强竹基活性炭对于六价铬的吸附作用，在较短的时间内达到较佳的吸附效果。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本发明实施例提供一种竹基活性炭，其根据以下步骤制备得到：
预处理步骤：将竹废料干燥后粉碎，得到粒径为0.2mm的竹粉。
活化步骤：将竹粉分散于质量分数为35％的磷酸溶液中，送入微波室，在130℃条件下微波5min，用去离子水将活化完成的活性炭基体洗涤至ph中性。
改性步骤：将活性炭基体分散于质量分数为45％的双氧水中，送入微波室，在130℃条件下微波5min，取出洗净后得到改性的竹基活性炭。
实施例2
本发明实施例提供一种竹基活性炭，其根据以下步骤制备得到：
预处理步骤：将竹废料干燥后粉碎，得到粒径为0.15mm的竹粉。
活化步骤：将竹粉分散于质量分数为40％的磷酸溶液中，送入微波室，在120℃条件下微波8min，用去离子水将活化完成的活性炭基体洗涤至ph中性。
改性步骤：将活性炭基体分散于质量分数为40％的双氧水中，送入微波室，在160℃条件下微波3min，取出洗净后得到改性的竹基活性炭。
实施例3
本发明实施例提供一种竹基活性炭，其根据以下步骤制备得到：
预处理步骤：将竹废料干燥后粉碎，得到粒径为0.1mm的竹粉。
活化步骤：将竹粉分散于质量分数为45％的磷酸溶液中，送入微波室，在140℃条件下微波5min，用去离子水将活化完成的活性炭基体洗涤至ph中性。
改性步骤：将活性炭基体分散于质量分数为50％的双氧水中，送入微波室，在150℃条件下微波4min，取出洗净后得到改性的竹基活性炭。
实施例4
本发明实施例提供一种竹基活性炭，其根据以下步骤制备得到：
预处理步骤：将竹废料干燥后粉碎，得到粒径为0.15mm的竹粉。
活化步骤：将竹粉分散于质量分数为35％的磷酸溶液中，送入微波室，在130℃条件下微波5min，用去离子水将活化完成的活性炭基体洗涤至ph中性。
改性步骤：将活性炭基体分散于质量分数为45％的双氧水中，送入微波室，在130℃条件下微波5min，取出洗净后得到改性的竹基活性炭。
实施例5
本发明实施例提供一种竹基活性炭，其根据以下步骤制备得到：
预处理步骤：将竹废料干燥后粉碎，得到粒径为0.2mm的竹粉。
活化步骤：将竹粉分散于质量分数为35％的磷酸溶液中，送入微波室，在130℃条件下微波5min，用去离子水将活化完成的活性炭基体洗涤至ph中性。
改性步骤：将活性炭基体分散于质量分数为45％的双氧水中，送入微波室，在130℃条件下微波5min，取出洗净后得到改性的竹基活性炭。
对比例1
本对比例提供一种竹基活性炭，其根据以下步骤制备得到：
预处理步骤：将竹废料干燥后粉碎，得到粒径为0.2mm的竹粉。
活化步骤：将竹粉分散于质量分数为35％的磷酸溶液中，送入微波室，在130℃条件下微波5min，用去离子水将活化完成的活性炭洗涤至ph中性。
试验例1
将实施例1～3以及对比例1制备得到的竹基活性炭分别与浓度为50mg/l的六价铬离子的水溶液混合，调节ph后，处理一段时间，模拟废水处理效果，结果如表1所示。
表1
综上，本发明实施例提供的用于吸附水中六价铬的竹基活性炭具有吸附效率高的特点，且制备时间短，效率高。使用原料量大且多被作为废弃物对待的竹废料作为生产原料，可为竹废料的资源化利用提供高效的新技术。通过微波协同双氧水对竹基活性炭的改性，极大地提高了产品表面官能团含量，改善产品对六价铬的吸附性能。使用竹基活性炭处理含六价铬的废水时，通过改变其酸碱性质可提高其吸附速率和吸附容量，对水中六价铬具有良好的吸附作用。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。