专利名称：利用互花米草基生物炭治理含铜废水的方法
技术领域：
本发明涉及互花米草基生物炭的制备方法及其对含铜废水的治理，属于生物质的资源化利用领域。
背景技术：
化工、电镀、有色冶炼、印染、矿山开采、染料生产、电子材料漂洗废水等过程中常产生含有大量铜离子的废水，这种废水排入水体，会严重影响水质，使水体散发异味、抑制水体自净能力、导致水体无法饮用，对环境质量和人体健康造成危害。吸附法是去除重金属的一种重要方法，活性炭和生物吸附剂是目前常用的基于生物质的去除重金属的吸附剂。 由于活性炭昂贵的原材料和生产成本，在处理低浓度、大水量重金属废水时并不合适。虽然生物吸附剂成本较低，但对低浓度重金属废水去除率较低，而且其作为生物质易于变质而不易保存。故寻求效果好、成本低，同时便于保存的吸附剂，是吸附法去除重金属铜的一个重要研究方向。生物炭是一种由生物质在无氧或缺氧条件下热解产生的富碳固体产物。作为土壤改良剂，具有生物固碳、提高土壤肥力、提高农作物产率等作用。生物炭是未完全碳化的富碳产物，其表面富含羧基、羟基、苯酚基团等，对重金属离子和有机物都有较好的吸附效应。 相对于传统吸附剂活性炭，生物炭原材料来源广泛，其常见的原材料为农畜废弃物、工业及生活垃圾，如秸杆、种壳、粪便、污泥、餐厨垃圾等；其制备过程中碳化温度低(<50(TC)，且无需后续的活化步骤；其表面官能团含量丰富，对重金属去除率更高。相对于生物吸附剂， 生物炭经过热解碳化后，其性质稳定、不易变质、易于保存。故由于生物炭原料丰富、成本低廉、制备简单、易于保存、对重金属的吸附量高等优点，作为一种质优价廉的新型吸附剂日渐受到人们的重视。互花米草是于1979年被引入中国，初期在保滩护堤、促淤造陆方面起了重要作用，但是由于其在潮滩湿地生境中超强的繁殖力，造成了威胁海滨湿地土著物种、影响滩涂养殖、阻塞航道、使近海水质下降、诱发赤潮等一系列不利影响。所以许多国家将其作为入侵植物实施大范围的控制计划，我国国家环保局于2003年将其列入首批16种入侵物种黑名单。目前对互花米草的有效治理方法并不多，如果将互花米草作为原材料来制备质优价廉的生物炭用于去除重金属污染，不仅可以抑制其恶性扩张，还可以利用其庞大的生物量资源，取得巨大的环境、经济、社会效益。
发明内容
本发明的目的在于有效利用互花米草，将其变废为宝，提供一种简单易行、成本低廉的方法制备高吸附量的生物炭，来治理含铜废水的污染。互花米草基生物炭的制备方法和其对含铜废水的治理包括如下步骤
1.原料准备互花米草去根、清洗、风干，后再彻底烘干、粉碎；
2.生物炭制备将粉碎的互花米草茎杆置于电炉内，在流速为50 150mL/min的氮气保护下进行热解。以5 20°C /min的升温速率升至300 550°C，恒温热解1 4小时。 碳化后冷却至室温，研磨，过筛，既得生物炭。3.处理过程将生物炭以一定的剂量投加到含铜废水中，调节pH3. 5 7，反应 6 48小时；
4.结果检测使用化学分析手段检测吸附后溶液中的铜含量。一种较优的制备和吸附方法，包括选取合适的互花米草进行清洗、烘干、粉碎、热解、研磨、吸附，具体优化条件如下
步骤1中，将成熟期茎杆粗壮的互花米草去根后清洗，自然风干。后将根上部分切割成几十厘米的小段，烘干，优选的烘干温度为100 120°C。粉碎后过筛，优选50 100目筛。步骤2中，互花米草的热解可选用一般的电炉，如管式电阻炉，氮气速率80 120mL/min, 5 10°C /min升至热解温度350 45CTC,恒温1. 5 2h。冷却时可通入40 80mL/min的氮气，防止由于冷却初期温度过高，生物炭被氧化，及缩短冷却时间。最后研磨， 过50 150目筛。步骤3中，生物炭的投机剂量可按附图4确定，调节pH为5. 5 6. 5，反应时间8 24小时。吸附时间小于8小时，尤其是不足3小时时，吸附量较低，吸附效果欠佳。时间长于24小时，吸附逐渐达到平衡，吸附量增加较少，且反应时间越长，运营成本越高。步骤4中，可将吸附后的悬浮液过滤，检测滤液中铜的含量。本发明与现有的吸附剂的制备方法和重金属处理方法技术相比有以下显著的特点和有益效果
1.原材料互花米草廉价易得、资源丰富，广泛分布于天津、山东、江苏、上海、浙江、福建等沿海省市，且对当地的生态环境造成了恶劣的影响。将其加以利用可以变害为宝，实现废物的资源化。2.生物炭的制备过程简单易行、成本低廉。3.利用互花米草制成的生物炭去除污水中的铜，去除效果高于现有的吸附剂，且不需投加任何化学药品，不会产生二次污染。4.本方法以害治废，可同时去除多种重金属污染。5.去除操作流程非常简单，对吸附条件和管理条件要求低。
图1工艺流程图
图2热解温度对互花米草基生物炭吸附铜的吸附量和去除率的影响
(a)对吸附量的影响
(b)对去除率的影响
图3溶液pH对互花米草基生物炭吸附铜的吸附量和去除率的影响
(a)对吸附量的影响
(b)对去除率的影响
图4吸附剂投加量对互花米草基生物炭吸附铜的吸附量的影响。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明
实施例1
1.将互花米草去根，用蒸馏水洗净，风干。将风干后的互花米草秸杆剪成50cm左右的小段，后置于烘箱中于105°C下烘干，然后用粉碎机粉碎，得到50目的粉末。2.粉末置于管式炉内，在氮气100mL/min的气氛下，以5°C/min的速率升至 300°C，恒温热解2h。继续通入50mL/min的氮气冷却至室温，研磨，过50目筛，既得生物炭。
产率为43%。3.制得的生物炭，按投加剂量2g/L，对pH为6±0. 1的铜溶液进行吸附，反应时间为36小时。4.取部分吸附后的悬浮液过滤，使用ICP测其铜含量。由本实施例得到的生物炭对铜的吸附量为33. 12mg/g,对于100mg/L的铜溶液，其去除率为60%，50mg/L的去除率达到95%以上。实施例2
其他条件不变，将实施例1中热解温度改为400°C。产率为40%。本实例得到的生物炭，在pH6时，对铜的吸附量为48. 49mg/g。生物炭剂量2g/L 时，对100mg/L的铜溶液去除率为83%，50mg/L的去除率为99%以上，达到了一级排放标准 (〈0. 5mg/L)。实施例3
其他条件不变，将实施例1中热解温度改为500°C。产率为39%。本实例得到的生物炭，对铜的吸附量为50. 99mg/g,对100mg/L的铜溶液去除率为 89%, 50mg/L的去除率为99%以上，接近完全去除，达到了一级排放标准。实施例4
其他条件不变，将实施例2中的热解时间改为4h。产率为40%。本实例得到的生物炭，对铜的吸附量为48. 75mg/g,对100mg/L的铜溶液去除率为 83%, 50mg/g达到99%以上，符合一级排放标准。实施例5
其他条件不变，将实施例2中铜溶液的pH调节为4。本实例得到的生物炭，对铜的吸附量为42. 29mg/g,对100mg/L的铜溶液去除率为 69%，50mg/g为99%以上，达到一级排放标准。实施例6
其他条件不变，将实施例2中铜溶液的pH调节为5。本实例得到的生物炭，对铜的吸附量为43. 88mg/g,对100mg/L的铜溶液去除率为 73%, 50mg/g达到99%以上，符合一级排放标准。
权利要求
1.利用互花米草基生物炭治理含铜废水的方法，其特征该方法具有如下步骤.1)原料准备互花米草去根、清洗、风干，后再烘干、粉碎；.2)生物炭制备将粉碎的互花米草茎杆置于电炉内，在氮气保护下恒温热解；碳化后冷却至室温，研磨，过筛，既得生物炭；.3)处理过程将生物炭以一定的剂量投加到含铜废水中，调节pH，反应一段时间。
2.根据权利要求1所述的利用互花米草基生物炭治理含铜废水的方法，其特征在于原材料准备中的烘干温度为100 120°C，粉碎至粒径小于100目。
3.根据权利要求1所述的利用互花米草基生物炭治理含铜废水的方法，其特征在于生物炭制备中的氮气流速为50 150mL/min，升温速率为5 20°C /min，热解温度为300 600°C，热解时间为1 4小时。
4.根据权利要求3所述的利用互花米草基生物炭治理含铜废水的方法，其特征在于热解温度为350 450°C。
5.根据权利要求3所述的利用互花米草基生物炭治理含铜废水的方法，其特征在于热解时间为1 2小时。
6.根据权利要求1所述的利用互花米草基生物炭治理含铜废水的方法，其特征在于生物炭制备自然冷却或通入流速为40 80mL/min的氮气加速冷却至室温,研磨后，粒径小于 150 目。
7.根据权利要求1所述的利用互花米草基生物炭治理含铜废水的方法，其特征在于处理过程中生物炭的投加量为0. 5 10g/L。
8.根据权利要求1所述的利用互花米草基生物炭治理含铜废水的方法，其特征在于处理过程中废水的pH为3. 5 7，反应时间为6 48小时。
全文摘要
本发明公开了利用互花米草制备的生物炭治理含铜废水的方法，属于生物质的资源化利用领域。包括如下步骤(1)将互花米草去根、洗净、风干，后再彻底烘干、粉碎；(2)将互花米草粉末，在N2保护下以300～550℃的温度热解1～4小时，冷却至室温后研磨过筛，产率在39～43%之间；(3)将制备好的生物炭，以合适比例投机到含铜废水中，处理6～48小时，对铜的吸附量在33.12～50.99%。该方法制得的生物炭成本低廉、操作简单、吸附量高，创造了良好的环境和社会效应，和可观的经济效益。
文档编号B01J20/30GK102600799SQ201210079428
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月23日 优先权日2012年3月23日
发明者冯淋淋, 刘强, 张亚萍, 贾泽奇, 郑燕, 郭丽晶 申请人:上海大学