一种用于降解甲醛的钢渣基生物质活性炭及其制备方法与流程

本发明属于固废资源利用领域，具体涉及一种将生物质废弃物与钢渣进行粉磨后，并且利用钢渣微粉对生物质废弃物微粉进行改性获得钢渣基生物质活性炭。
背景技术：
：人的一生大约80％的时间是在室内度过，因此室内环境作用与人最为频繁接触的场所，其空气质量的优劣将直接影响所居住人的身体健康。目前随着人们对建筑保温绝热性能与室内装饰美化要求，造成室内环境挥发性有机化合物浓度提高，导致室内空气品质问题日益严重，其中甲醛是室内空气中典型污染物之一，已经成为研究室内空气品质的焦点问题。活性炭是一种具有发达多孔结构与丰富比表面积的碳质材料，被大量应用于室内环境挥发性有机化合物的吸附。然而一方面由于活性炭普遍采用木材、竹子进行制备，导致成本高且不利于生态环境的可持续发展；另一方面活性炭的使用寿命短，容易造成室内环境的二次污染；以及利用金属氧化物对活性炭进行改性，可以提高活性炭的使用寿命与降解甲醛性能，但是会导致制备成本增加，因此极大的限制了活性炭在室内环境去除污染物的应用。钢渣作为炼钢过程中产生的固体废弃物，其主要矿物相为硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、铁铝酸钙及硅、镁、铁(24.5％～39.4％)、锰(2.1％～3.4％)、磷的氧化物形成的固熔体，还含少量游离氧化钙及金属铁等。如果利用钢渣与生物质废弃材料(如：果壳、果核、秸秆等)进行复合制备钢渣基生物质活性炭，利用钢渣中含有的金属氧化物对生物质废弃材料进行改性处理，不仅解决了改性活性炭成本高、环境破坏大的问题，而且拓展了钢渣与生物质废弃材料的高附加值应用，实现“以废治危”的新思路。技术实现要素：为了解决一方面由于活性炭普遍采用木材、竹子进行制备，导致成本高且不利于生态环境的可持续发展；另一方面活性炭的使用寿命短，容易造成室内环境的二次污染；以及利用金属氧化物对活性炭进行改性，可以提高活性炭的使用寿命与降解甲醛性能，但是会导致制备成本增加的问题。本发明将生物质废弃物与钢渣进行粉磨后，并且利用钢渣微粉对生物质废弃物微粉进行改性获得钢渣基生物质活性炭，同时对粉磨速度、粉磨时间、超声功率、超声分散时间、烘干温度、煅烧温度、焙烧时间等进行控制，以期实现生物质废弃物与钢渣的高附加值循环利用，获得降解甲醛性能优越且成本低廉的用于降解甲醛的改性生物质活性炭。为了解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案予以实现的。本发明提供了一种用于降解甲醛的钢渣基生物质活性炭，该活性炭配方按重量百分比原料如下：所述生物质废弃物为果壳、果核、秸秆中的一种或多种；所述钢渣为热闷渣、电炉渣和风碎渣中的一种或多种；所述钢渣复合助磨剂为乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇的混合物，乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇的质量比为1∶1∶1，其中乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇均为分析纯；所述磷酸为分析纯；所述无水乙醇为分析纯；所述盐酸为分析纯；所述水为去离子水。本发明同时提供了上述用于降解甲醛的钢渣基生物质活性炭的制备方法，具体包括如下步骤：首先将生物质废弃物洗净且干燥后，利用变频行星式球磨机以转速400r/min～600r/min粉磨45min～90min，获得生物质废弃物微粉；将钢渣与钢渣复合助磨剂进行混合后，利用变频行星式球磨机以转速600r/min～800r/min粉磨60min～120min，获得钢渣微粉。其次将生物质废弃物微粉与磷酸进行混合后，利用超声功率为400w～600w的超声波细胞破碎仪超声分散30min～60min，获得生物质废弃物微粉溶液；将钢渣微粉与水进行混合且滴加盐酸后，利用超声功率为400w～600w的超声波细胞破碎仪超声分散30min～60min，获得钢渣微粉溶液；将生物质废弃物微粉溶液与钢渣微粉溶液进行混合且加入无水乙醇后，利用超声功率为600w～800w的超声波细胞破碎仪超声分散90min～150min，获得钢渣基生物质活性炭前躯体。最后将钢渣基生物质活性炭前躯体放置于真空压强为-0.08mpa～-0.04mpa和温度为60℃～90℃的真空干燥箱进行活化180min～270min后，利用煅烧温度为200℃～300℃的实验炉焙烧15min～45min，获得钢渣基生物质活性炭。本发明的科学原理：(1)利用钢渣复合助磨剂具有的表面活性剂分子，在待磨钢渣表面形成一个单分子吸附薄膜，在粉碎过程中钢渣断裂，在其断裂面上产生的游离电价键与钢渣复合改性剂提供的离子或分子进行中和，以达到消除或减弱钢渣微粉聚集趋势，以及阻止断裂面复合。(2)钢渣复合助磨剂吸附于钢渣表面，利用钢渣复合助磨剂对钢渣的润湿作用和吸附作用，降低钢渣表面自由能，削弱钢渣晶粒间合力，产生挤开裂缝应力，以达到破坏钢渣硬度的作用。(3)钢渣主要化学成分中fe2o3可以有效提高活性炭的吸附能力，有利于甲醛在具有多孔结构的活性炭中形成富集，mno对富集在活性炭孔内的甲醛具有催化降解作用。(4)利用含有炭成分的生物质废弃材料(如：果壳、果核、秸秆等)取木材、竹子代制备生物质活性炭，不仅降低了活性炭生产成本，而且促进了生态环境的可持续发展。(5)钢渣基生物质活性炭利用生物质活性炭的高吸附性能，以及钢渣对甲醛的吸附降解作用与催化降解作用，实现生物质活性炭与钢渣的协同降解甲醛作用。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、本发明解决了现有技术一方面由于活性炭普遍采用木材、竹子进行制备，导致成本高且不利于生态环境的可持续发展；另一方面活性炭的使用寿命短，容易造成室内环境的二次污染；以及利用钢渣对活性炭进行改性，降低了改性活性炭的生产成本50％～60％，提高了其市场竞争力与应用范围。2、本发明利用钢渣与生物质废弃材料(如：果壳、果核、秸秆等)进行复合制备钢渣基生物质活性炭，利用钢渣中含有的金属氧化物对生物质废弃材料进行改性处理，拓展了钢渣与生物质废弃材料的高附加值应用，实现“以废治危”的新思路；同时相对于目前将钢渣与活性炭进行物理混合的钢渣改性活性炭技术，本发明利用助磨技术与化学复合技术相结合，大幅提高钢渣基生物质活性炭的性能与稳定性。3、本发明一种用于降解甲醛的钢渣基生物质活性炭及其制备方法符合相关节能环保、循环经济的政策要求。附图说明图1为环境测试舱模拟室内环境示意图；图中：1、温湿度传感器；2、采样口；3、风扇；4、光源；a、甲醛气体；b、钢渣基生物质活性炭。具体实施方式以下结合具体实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。实施例1以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述生物质废弃物为果壳；所述钢渣为电炉渣；所述钢渣复合助磨剂为乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇的混合物，乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇的质量比为1∶1：1，其中乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇均为分析纯；所述磷酸为分析纯；所述无水乙醇为分析纯；所述盐酸为分析纯；所述水为去离子水。首先将生物质废弃物洗净且干燥后，利用变频行星式球磨机以转速500r/min粉磨45min，获得生物质废弃物微粉；将钢渣与钢渣复合助磨剂进行混合后，利用变频行星式球磨机以转速800r/min粉磨90min，获得钢渣微粉。其次将生物质废弃物微粉与磷酸进行混合后，利用超声功率为400w的超声波细胞破碎仪超声分散30min，获得生物质废弃物微粉溶液；将钢渣微粉与水进行混合且滴加盐酸后，利用超声功率为600w的超声波细胞破碎仪超声分散50min，获得钢渣微粉溶液；将生物质废弃物微粉溶液与钢渣微粉溶液进行混合且加入无水乙醇后，利用超声功率为700w的超声波细胞破碎仪超声分散110min，获得钢渣基生物质活性炭前躯体。最后将钢渣基生物质活性炭前躯体放置于真空压强为-0.08mpa和温度为80℃的真空干燥箱进行活化240min后，利用煅烧温度为250℃的实验炉焙烧45min，获得钢渣基生物质活性炭。实施例2以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述生物质废弃物为秸秆；所述钢渣为热闷渣；所述钢渣复合助磨剂为乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇的混合物，乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇的质量比为1∶1∶1，其中乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇均为分析纯；所述磷酸为分析纯；所述无水乙醇为分析纯；所述盐酸为分析纯；所述水为去离子水。首先将生物质废弃物洗净且干燥后，利用变频行星式球磨机以转速600r/min粉磨90min，获得生物质废弃物微粉；将钢渣与钢渣复合助磨剂进行混合后，利用变频行星式球磨机以转速600r/min粉磨105min，获得钢渣微粉。其次将生物质废弃物微粉与磷酸进行混合后，利用超声功率为500w的超声波细胞破碎仪超声分散60min，获得生物质废弃物微粉溶液；将钢渣微粉与水进行混合且滴加盐酸后，利用超声功率为400w的超声波细胞破碎仪超声分散40min，获得钢渣微粉溶液；将生物质废弃物微粉溶液与钢渣微粉溶液进行混合且加入无水乙醇后，利用超声功率为800w的超声波细胞破碎仪超声分散150min，获得钢渣基生物质活性炭前躯体。最后将钢渣基生物质活性炭前躯体放置于真空压强为-0.06mpa和温度为90℃的真空干燥箱进行活化270min后，利用煅烧温度为200℃的实验炉焙烧15min，获得钢渣基生物质活性炭。实施例3以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述生物质废弃物为果核；所述钢渣为风碎渣；所述钢渣复合助磨剂为乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇的混合物，乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇的质量比为1∶1∶1，其中乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇均为分析纯；所述磷酸为分析纯；所述无水乙醇为分析纯；所述盐酸为分析纯；所述水为去离子水。首先将生物质废弃物洗净且干燥后，利用变频行星式球磨机以转速400r/min粉磨75min，获得生物质废弃物微粉；将钢渣与钢渣复合助磨剂进行混合后，利用变频行星式球磨机以转速700r/min粉磨60min，获得钢渣微粉。其次将生物质废弃物微粉与磷酸进行混合后，利用超声功率为600w的超声波细胞破碎仪超声分散40min，获得生物质废弃物微粉溶液；将钢渣微粉与水进行混合且滴加盐酸后，利用超声功率为500w的超声波细胞破碎仪超声分散60min，获得钢渣微粉溶液；将生物质废弃物微粉溶液与钢渣微粉溶液进行混合且加入无水乙醇后，利用超声功率为600w的超声波细胞破碎仪超声分散90min，获得钢渣基生物质活性炭前躯体。最后将钢渣基生物质活性炭前躯体放置于真空压强为-0.04mpa和温度为70℃的真空干燥箱进行活化180min后，利用煅烧温度为300℃的实验炉焙烧30min，获得钢渣基生物质活性炭。实施例4以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述生物质废弃物为秸秆；所述钢渣为电炉渣；所述钢渣复合助磨剂为乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇的混合物，乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇的质量比为1∶1∶1，其中乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇均为分析纯；所述磷酸为分析纯；所述无水乙醇为分析纯；所述盐酸为分析纯；所述水为去离子水。首先将生物质废弃物洗净且干燥后，利用变频行星式球磨机以转速500r/min粉磨60min，获得生物质废弃物微粉；将钢渣与钢渣复合助磨剂进行混合后，利用变频行星式球磨机以转速700r/min粉磨120min，获得钢渣微粉。其次将生物质废弃物微粉与磷酸进行混合后，利用超声功率为500w的超声波细胞破碎仪超声分散50min，获得生物质废弃物微粉溶液；将钢渣微粉与水进行混合且滴加盐酸后，利用超声功率为600w的超声波细胞破碎仪超声分散30min，获得钢渣微粉溶液；将生物质废弃物微粉溶液与钢渣微粉溶液进行混合且加入无水乙醇后，利用超声功率为600w的超声波细胞破碎仪超声分散130min，获得钢渣基生物质活性炭前躯体。最后将钢渣基生物质活性炭前躯体放置于真空压强为-0.08mpa和温度为60℃的真空干燥箱进行活化210min后，利用煅烧温度为250℃的实验炉焙烧45min，获得钢渣基生物质活性炭。实施例5以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述生物质废弃物为果壳；所述钢渣为热闷渣；所述钢渣复合助磨剂为乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇的混合物，乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇的质量比为1∶1∶1，其中乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇均为分析纯；所述磷酸为分析纯；所述无水乙醇为分析纯；所述盐酸为分析纯；所述水为去离子水。首先将生物质废弃物洗净且干燥后，利用变频行星式球磨机以转速600r/min粉磨45min，获得生物质废弃物微粉；将钢渣与钢渣复合助磨剂进行混合后，利用变频行星式球磨机以转速600r/min粉磨75min，获得钢渣微粉。其次将生物质废弃物微粉与磷酸进行混合后，利用超声功率为600w的超声波细胞破碎仪超声分散60min，获得生物质废弃物微粉溶液；将钢渣微粉与水进行混合且滴加盐酸后，利用超声功率为400w的超声波细胞破碎仪超声分散30min，获得钢渣微粉溶液；将生物质废弃物微粉溶液与钢渣微粉溶液进行混合且加入无水乙醇后，利用超声功率为700w的超声波细胞破碎仪超声分散150min，获得钢渣基生物质活性炭前躯体。最后将钢渣基生物质活性炭前躯体放置于真空压强为-0.06mpa和温度为60℃的真空干燥箱进行活化180min后，利用煅烧温度为200℃的实验炉焙烧30min，获得钢渣基生物质活性炭。实施例6以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述生物质废弃物为果核；所述钢渣为风碎渣；所述钢渣复合助磨剂为乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇的混合物，乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇的质量比为1∶1∶1，其中乙二醇、三乙醇胺和无水乙醇均为分析纯；所述磷酸为分析纯；所述无水乙醇为分析纯；所述盐酸为分析纯；所述水为去离子水。首先将生物质废弃物洗净且干燥后，利用变频行星式球磨机以转速400r/min粉磨60min，获得生物质废弃物微粉；将钢渣与钢渣复合助磨剂进行混合后，利用变频行星式球磨机以转速800r/min粉磨120min，获得钢渣微粉。其次将生物质废弃物微粉与磷酸进行混合后，利用超声功率为400w的超声波细胞破碎仪超声分散40min，获得生物质废弃物微粉溶液；将钢渣微粉与水进行混合且滴加盐酸后，利用超声功率为500w的超声波细胞破碎仪超声分散50min，获得钢渣微粉溶液；将生物质废弃物微粉溶液与钢渣微粉溶液进行混合且加入无水乙醇后，利用超声功率为800w的超声波细胞破碎仪超声分散110min，获得钢渣基生物质活性炭前躯体。最后将钢渣基生物质活性炭前躯体放置于真空压强为-0.04mpa和温度为90℃的真空干燥箱进行活化270min后，利用煅烧温度为300℃的实验炉焙烧15min，获得钢渣基生物质活性炭。对比例1以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述生物质废弃物为果核；所述钢渣为风碎渣；所述磷酸为分析纯；所述无水乙醇为分析纯；所述盐酸为分析纯；所述水为去离子水。首先将生物质废弃物洗净且干燥后，利用变频行星式球磨机以转速400r/min粉磨60min，获得生物质废弃物微粉；将钢渣利用变频行星式球磨机以转速800r/min粉磨120min，获得钢渣微粉。其次将生物质废弃物微粉与磷酸进行混合后，利用超声功率为400w的超声波细胞破碎仪超声分散40min，获得生物质废弃物微粉溶液；将钢渣微粉与水进行混合且滴加盐酸后，利用超声功率为500w的超声波细胞破碎仪超声分散50min，获得钢渣微粉溶液；将生物质废弃物微粉溶液与钢渣微粉溶液进行混合且加入无水乙醇后，利用超声功率为800w的超声波细胞破碎仪超声分散110min，获得钢渣基生物质活性炭前躯体。最后将钢渣基生物质活性炭前躯体放置于真空压强为-0.04mpa和温度为90℃的真空干燥箱进行活化270min后，利用煅烧温度为300℃的实验炉焙烧15min，获得钢渣基生物质活性炭。对比例2以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：所述生物质废弃物为果核；所述磷酸为分析纯；所述无水乙醇为分析纯；所述盐酸为分析纯；所述水为去离子水。首先将生物质废弃物洗净且干燥后，利用变频行星式球磨机以转速400r/min粉磨60min，获得生物质废弃物微粉。其次将生物质废弃物微粉与磷酸进行混合后，利用超声功率为400w的超声波细胞破碎仪超声分散40min，获得生物质废弃物微粉溶液；将水与盐酸进行混合后，利用超声功率为500w的超声波细胞破碎仪超声分散50min，获得盐酸溶液；将生物质废弃物微粉溶液与盐酸溶液进行混合且加入无水乙醇后，利用超声功率为800w的超声波细胞破碎仪超声分散110min，获得生物质活性炭前躯体。最后将生物质活性炭前躯体放置于真空压强为-0.04mpa和温度为90℃的真空干燥箱进行活化270min后，利用煅烧温度为300℃的实验炉焙烧15min，获得生物质活性炭。制备实施例1～6及对比例1～2，其性能检测过程如下：利用欧盟普遍采用的环境测试舱模拟室内环境(如图1所示)。利用温湿度传感器1，温度设置在23+0.5℃，湿度设置在45+3％。把2.5μl浓度为37％～40％的甲醛分析纯溶液滴加在培养皿上，放入环境测试舱，使其在环境测试舱中充分挥发，利用风扇3使整个环境测试舱中的甲醛气体a浓度为1mg/m3。将40g的钢渣基生物质活性炭b负载到0.1m2的测试板上，利用光源4进行激发，使其产生降解作用。采用乙酰丙酮分光光度法(gb/t15516-1995)，利用采样口2，选择10h时采样10l舱内的气体，检测环境测试舱中甲醛气体的浓度变化，从而可以计算出钢渣基生物质活性炭的降解甲醛效率。表1钢渣基生物质活性炭的降解甲醛效率序号降解甲醛效率/％实施例158.4实施例260.6实施例342.3实施例455.2实施例546.5实施例653.1对比例139.7对比例231.2当前第1页12