用于水体净化吸附材料及生物炭砖的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于水体净化吸附材料及生物炭砖，由生物炭、聚丙烯酸钠（PAAS）组成，所述PAAS溶液的浓度在0.1-50g/L，所述500-1000mLPAAS溶液加入10-200g生物炭，生物炭砖包括一中空底座，在底座顶端安装环状顶盖，在底座内填充吸附材料，吸附材料的上表面覆盖两层保护性滤膜，在两层滤膜之间设置有扩散膜夹层。本发明中加入的扩散膜可以有效的防止PAAS及生物炭溶出，并允许高活性低分子量污染物质自由扩散进入生物炭砖，使该发明具有选择性去除水体中危害大的污染物的能力。
【专利说明】用于水体净化吸附材料及生物炭砖
【技术领域】
[0001]本发明属于环境科学领域，涉及用于水体净化的吸附材料，尤其是一种用于水体净化吸附材料及生物炭砖。
【背景技术】
[0002]生物炭通常是指以自然界广泛存在的生物质资源为基础，利用特定的炭化技术，由生物质在缺氧条件下不完全燃烧所产生的炭质。常见的生物炭包括木炭、竹炭、秸杆、炭稻、壳炭等。它们主要由芳香烃和单质碳或具有石墨结构的碳组成，含有60%以上的碳元素，还包括H、0、N、S及少量的微量元素。生物炭具有原材料来源广泛、生产成本低、生态安全无污染、可大面积推广等显著特点。
[0003]生物炭可溶性极低，具有高度羧酸酯化和芳香化结构，拥有较大的孔隙度和比表面积，这些基本性质使其具备了吸附力抗氧化力和抗生物分解能力强的特性，可广泛应用于去除水中的有机及无机污染物。
[0004]生物炭由于具有较大的孔隙度、比表面积，使其在吸附重金属及有机污染物上有很大优势，但由于生物碳是颗粒细致、质地较轻的黑色蓬松状固态物质，处理后的生物炭不易从水体中分离，这一缺点限制了生物炭的应用。
[0005]聚丙烯酸钠是一种水溶性高分子化合物，可溶于水形成粘稠液体，对水体中的重金属特别是二价金属离子有超强的螯合能力，但由于重金属含量的限制螯合后聚丙烯酸钠依然为水溶性的，无法将其去除，限制了聚丙烯酸钠作为水处理剂的应用。
[0006]水体中危害较大的是活性污染物，活性污染物如离子态重金属，农药，低分子POPs等对生物和生态环境会产生直接危害，消除水体中处理活性污染物是急需要解决的问题，而目前能吸附去除水体高活性污染物的材料存在吸附能力低，制备成本较高、制备难度大、后续难处理等缺点，在使用上受到限制。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种材料新颖、成本低、吸附效果好的用于水体净化吸附材料及生物炭砖。
[0008]本发明实现目的的技术方案如下:
[0009]一种用于水体净化吸附材料，所述材料由生物炭和聚丙烯酸钠形成的溶液，所述PAAS的浓度在0.l_50g/L，所述生物炭的含量为20-400g/L。
[0010]而且，所述聚丙烯酸的分子量为3000万。
[0011]而且，所述吸附材料的制备方法为:先配制PAAS溶液，将PAAS溶液加入到生物炭中，混合均匀压平即得。
[0012]一种吸附材料的生物炭砖，包括吸附材料和外壳，吸附材料填充于外壳内，吸附材料相对于外壳具有裸露表面，在吸附材料的裸露表面密封三层滤膜，所述三层滤膜为内、夕卜两层保护滤膜，在内、外两层保护滤膜之间设置污染物扩散膜夹层。[0013]而且，所述生物炭砖的具体结构为:包括一中空底座，在底座顶端安装环状顶盖，在底座内填充吸附材料，吸附材料的上表面覆盖内、外两层保护滤膜，在两层滤膜之间设置污染物扩散膜夹层。
[0014]而且，所述扩散膜允许自由透过物质的分子量50-1000000、外层保护滤膜的孔径为0.15-0.22 μ m，内层保护滤膜孔径0.3-0.45 μ m。
[0015]而且，所述扩散膜的厚度为0.8mm，内、外层保护滤膜的厚度为0.1mm。
[0016]而且，所述扩散膜的制备方法为:由丙烯酰胺、交联剂、过硫酸铵、N，N，_亚甲基双丙烯酰胺制成的水凝胶，其制备方法为:将丙烯酰胺溶液、交联剂、高纯水混合均匀，依次加入过硫酸铵、N, N,-亚甲基双丙烯酰胺，混合后倒入模具中，获得水凝胶膜为扩散膜。
[0017]而且，所述交联剂的制备方法为:将硼氢化钠加入的烯丙基缩水甘油醚中，得到溶液A ;将琼脂糖加入NaOH溶液中，不断搅拌形成琼脂糖悬浊液B ;将溶液A加入悬浊液B中形成溶液C，将溶液C连续搅拌12h ;将混合液过滤，用蒸馏水洗至中性；脱水，真空干燥，得到所需的交联剂，所述硼氢化钠:烯丙基缩水甘油醚:琼脂糖=NaOH重量比=0.2-0.4:9-20:5-15:3.6—6。
[0018]而且，所述扩散膜为由丙烯酰胺、交联剂、过硫酸铵、N，N,-亚甲基双丙烯酰胺制成的水凝胶。
[0019]本发明的有益效果和积极效果如下:
[0020]1、本发明中所选用的聚丙烯酸钠(PAAS)是一种线状、可溶性的高分子化合物，其分子链上的羧基由于静电相斥作用，使得曲绕的聚合物链伸展，促成具有吸附性的功能团外露到表面。其结构式为_[-CH2CHC00Na-]-，其官能团为羧基可以与金属离子较好的发生络合反应。由于PAAS属可溶于水的有机高分子化合物，而用扩散膜将其包裹，可避免其从生物炭砖溶出，解决了 PAAS不适宜直接用于废水处理的问题。
[0021]2、本发明针对生物炭去除污染物后不易分离的缺点，制备了一种类固体生物炭砖，针对生物炭对重金属的吸附能力较低的问题，加入了 PAAS等重金属吸附剂，增加了生物炭对重金属的吸附能力。
[0022]3、本发明提供的生物炭砖内部填充吸附材料以后，可以去除水体高活性污染物，还具有吸附容量高、适用范围广、无有害粒子溶出、吸附效率高等优点。
[0023]4、本发明中加入的扩散膜可以有效的防止PAAS或者其他材料溶出，并选择性的分离活性物质，使该发明具有选择性去除水体中危害大的污染物的能力。
[0024]5、本发明提供的生物炭砖具有高效去除活性、低分子有机物、无机污染物的能力，解决生物炭的分散性以至于无法回收的缺点，吸附材料使用后可以直接用于填埋或焚烧处理。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明生物炭砖的主视图；
[0026]图2为图1的轴向剖视图；
[0027]图3为图1的俯视图；
[0028]图4为另一生物碳砖的结构示意图(轴向剖视)。【具体实施方式】
[0029]下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0030]本发明所用的原料均为市售，其中，生物炭，是由有机垃圾，如动物粪便，动物骨头，植物根茎，木屑和麦秸杆等加工而成的一种多孔碳。这些构成生物炭的有机垃圾被称为“生物量”，很多科学家冠以生物炭“黑色黄金”的美誉。生物炭也可制作，方法为:在温度500-800°C时由秸杆在厌氧处理1-3小时条件下制成。
[0031]以下分成三个部分详细论述本发明，包括:一、吸附材料的组成；二、吸附材料的制备方法；三、吸附材料制成的生物炭砖的结构；四、生物炭砖中扩散膜的制备方法；五、生物炭砖的吸附实例。
[0032]一、吸附材料的组成
[0033]用于水体净化吸附材料，由生物炭和聚丙烯酸钠(PAAS)组成，PAAS溶液的浓度在0.l-50g/L,所述按500-1000mLPAAS溶液加入10_200g生物炭。PAAS溶液的浓度在0.l-50g/L以保证吸附材料的初始含水量在饱和含水量的60-90%为宜。
[0034]二、吸附材料的制备方法
[0035]按照所处理废水的需要配制PAAS溶液，将PAAS溶液加入到生物炭中，混合均匀压平即得。
[0036]三、吸附材料制成的生物炭砖的结构
[0037]包括吸附材料和外壳,吸附材料填充于外壳内，吸附材料相对于外壳具有裸露表面，在吸附材料的裸露表面密封三层滤膜，所述三层滤膜为内、外两层保护滤膜，在内、外两层保护滤膜之间设置污染物扩散膜夹层。
[0038]本实施例提供一种具体结构，如附图所不:包括一中空底座2,在底座顶端安装环状顶盖1，在底座内填充吸附材料6，吸附材料的上表面覆盖内层保护滤膜5、外层保护滤膜3，在两层滤膜之间设置污染物扩散膜夹层4，最上层滤膜与底座的上端面平齐，通过环状顶盖的压合，保证滤膜与吸附材料在底座内部的固定，环状顶盖中间的环状部位裸露的滤膜为吸附材料吸附有害物质的通道。
[0039]所述扩散膜的分子量透过量为50-1000000、外层保护滤膜的孔径为0.15-0.22 μ m,内层保护滤膜孔径0.3-0.45 μ m。所述扩散膜的厚度为0.8mm,内、外层保护滤膜的厚度为0.1mm。
[0040]四、生物炭砖中扩散膜的制备方法
[0041]所述扩散膜为由丙烯酰胺、交联剂、过硫酸铵、N, N,-亚甲基双丙烯酰胺制成的水凝胶；IOOml中重量比为丙烯酰胺:交联剂:过硫酸铵:N，N，-亚甲基双丙烯酰胺=20:0.3:0.0035:0.2。
[0042]其制备方法为:将50mL30-50wt%的丙烯酰胺溶液、10mLl_3wt%的交联剂、40mL高纯水混合均匀，依次加入70 μ L5-15wt%过硫酸铵、20 μ LN, N,-亚甲基双丙烯酰胺，混合后倒入模具中，制备水凝胶膜为扩散膜。
[0043]制备出的凝胶膜的分子量透过量为50-1000000，厚度为0.8mm。
[0044]交联剂的制备方法为:将200-400mg硼氢化钠加入的10_20mL烯丙基缩水甘油醚中，得到溶液A ;将5-15g琼脂糖加入300mL0.3-0.5mol/LNa0H溶液中，不断搅拌形成琼脂糖悬浊液B ;将溶液A加入悬浊液B中形成溶液C，将溶液C连续搅拌12h ;将混合液过滤，用蒸馏水洗至中性；脱水，真空干燥，得到所需的交联剂。
[0045]所述硼氢化钠:烯丙基缩水甘油醚:琼脂糖:NaOH重量比=0.2-0.4:9-20:5-15:3.6—6。
[0046]五、生物炭砖的吸附实例
[0047]⑴配制成lg/L的PAAS溶液，将IOOmLPAAS溶液加入Ig生物炭中，使生物炭与PAAS溶液混合均匀；
[0048]⑵将混合液倒入具有一定形状的模具中，取出炭砖；
[0049]⑶在炭砖上依次覆盖0.45 μ m滤膜、扩散膜、0.22 μ m滤膜，并用支架固定，制备成生物炭砖；扩散膜为步骤四制备的扩散膜；
[0050]⑷将生物炭砖放入500mL200mg/L的Pb2+溶液中，24h后，溶液中Pb2+浓度为下降为未检测。
【权利要求】
1.一种用于水体净化吸附材料，其特征在于:所述材料由生物炭和聚丙烯酸钠形成的溶液，所述PAAS的浓度在0.l_50g/L，所述生物炭的含量为20-400g/L。
2.根据权利要求1所述的用于水体净化吸附材料，其特征在于:所述聚丙烯酸的分子量为3000万。
3.根据权利要求1所述的用于水体净化吸附材料，其特征在于:所述吸附材料的制备方法为:先配制PAAS溶液，将PAAS溶液加入到生物炭中，混合均匀压平即得。
4.一种包括权利要求1或2所述的吸附材料的生物炭砖，其特征在于:包括吸附材料和外壳，吸附材料填充于外壳内，吸附材料相对于外壳具有裸露表面，在吸附材料的裸露表面密封三层滤膜，所述三层滤膜为内、外两层保护滤膜，在内、外两层保护滤膜之间设置污染物扩散膜夹层。
5.根据权利要求4所述的生物炭砖，其特征在于:所述生物炭砖的具体结构为:包括一中空底座，在底座顶端同轴安装环状顶盖，在底座内填充吸附材料，吸附材料的上表面覆盖内、外两层保护滤膜，在两层滤膜之间设置污染物扩散膜夹层。
6.根据权利要求4所述的生物炭砖，其特征在于:所述扩散膜允许自由透过物质的分子量50-1000000、外层保护滤膜的孔径为0.15-0.22 μ m,内层保护滤膜孔径0.3-0.45 μ m。
7.根据权利要求4所述的生物炭砖，其特征在于:所述扩散膜的厚度为0.8mm，内、外层保护滤膜的厚度为0.1mm。
8.根据权利要求4所述的生物炭砖，其特征在于:所述扩散膜的制备方法为:由丙烯酰胺、交联剂、过硫酸铵、N，N，-亚甲基双丙烯酰胺制成的水凝胶，其制备方法为:将丙烯酰胺溶液、交联剂、高纯水混合均匀，依次加入过硫酸铵、N，N，-亚甲基双丙烯酰胺，混合后倒入模具中，获得水凝胶膜为扩散膜。
9.根据权利要求8所述的生物炭砖，其特征在于:所述交联剂的制备方法为:将硼氢化钠加入的烯丙基缩水甘油醚中，得到溶液A ;将琼脂糖加入NaOH溶液中，不断搅拌形成琼脂糖悬浊液B ;将溶液A加入悬浊液B中形成溶液C，将溶液C连续搅拌12h ;将混合液过滤，用蒸馏水洗至中性；脱水，真空干燥，得到所需的交联剂，所述硼氢化钠:烯丙基缩水甘油醚:琼脂糖:NaOH 重量比=0.2-0.4:9-20:5-15:3.6-6。
10.根据权利要求4所述的生物炭砖，其特征在于:所述扩散膜为由丙烯酰胺、交联剂、过硫酸铵、N, N,-亚甲基双丙烯酰胺制成的水凝胶。
【文档编号】B01J20/28GK103752285SQ201410008599
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月8日 优先权日:2014年1月8日
【发明者】赵玉杰, 夏青, 刘潇威, 周其文, 张铁亮, 林繁, 潘杨 申请人:农业部环境保护科研监测所