一种多孔生物载体吸附材料的制备方法及其应用与流程

本发明涉及一种吸附材料的制备方法及其应用，具体地说是一种多孔生物载体吸附材料的制备方法及其应用，属于环境材料及污水深度处理领域，涉及农副产品废弃物的回收再利用。

二、

背景技术：

我国是一个农业大国，麦秸秆是我国特别是北方地区主要的农业废弃物，长期以来被当作废弃物，随意处置或大面积焚烧，这种处置方法不仅会占用大量耕地，而且焚烧会造成严重的大气污染，土壤板结及土壤肥力下降等一系列问题。随着社会经济的发展，传统农作方式逐渐被淘汰，致使农作物废弃物制禽畜饲料、制沼气、堆肥等处理方式也随之逐渐消失，并且这种对农作物秸秆的处理方式大部分都属于小规模小作坊甚至独家独户操作，不能从根本上解决农作物秸秆问题。资源学认为，没有绝对的废弃物，只有放错地方的资源。而基于褐铁矿的Fe/C多孔生物载体材料正是基于发展新型环境材料、开发利用可再生资源而开发出的一种新材料。褐铁矿Fe/C多孔生物载体材料的原材料可以为废弃木料、农作物秸秆、甘蔗渣、果渣、竹子、稻壳、废纸等，所用原料都是木材或植物纤维材料以及废弃物等，都是可再生资源和可回收利用资源。

另外，我国正面对日益加剧的水资源短缺以及水环境污染等问题，目前，我国的城市污水处理主导目标已经开始由传统的“污水处理、达标排放”转变为以水质再生处理为核心的“水的循环再用”，由单纯的“污染控制”上升为“水生态的修复和恢复”。城市污水深度处理将是我国水环境事业发展的必然趋势。而目前在污水处理技术中，选用什么样的处理材料是最需要解决的问题。多孔生物载体材料的开发也由此而来。由于多孔生物载体材料拥有高孔隙率、大比表面积等特性，决定了其拥有良好的吸附性能，可以用来处理污水中氮、磷、有机物等污染物。研制多孔生物载体材料不仅可以减轻环境负担，而且可以合理回收利用废弃物，对资源循环利用以及环境保护具有重要意义。

三、

技术实现要素：

本发明旨在提供一种多孔生物载体吸附材料的制备方法及其应用。本发明多孔生物载体吸附材料对二级出水中氮磷及有机物有高的吸附去除效果，同时由于该材料多孔性为微生物提供附着载体，使材料在吸附氮磷及有机物而被微生物降解后能够重新生成表面，延长材料的使用寿命。

本发明多孔生物载体吸附材料的制备方法，包括如下步骤：

1、将麦秸秆用微型植物粉碎机破碎，过40目筛，得粉料a；

2、将凹凸棒石和褐铁矿粉末分别过70目筛，得到凹凸棒石粉料b和褐铁矿粉料c；

3、将粉料a、凹凸棒石粉料b和褐铁矿粉料c混合均匀后加水造粒，粒径控制在6～10mm，随后于105℃下干燥得粒料；

4、将所得粒料置于高温管式炉中，氮气保护下高温烧结，冷却后得到基于褐铁矿的Fe/C多孔生物载体吸附材料。

步骤4中所述高温烧结是于800-1000℃下保温4小时，优选为900℃下保温4小时。

高温烧结的升温过程控制如下：首先以2.5℃/min的升温速率从室温升至300℃，然后以3℃/min的升温速率从300℃升温至600℃，最后以4℃/min的升温速率从600℃升温至800-1000℃，达到所需温度点后保温4小时，随炉自然冷却。

麦秸秆、凹凸棒石和褐铁矿的质量比为1:1-2:1。

本发明多孔生物载体吸附材料在污水深度处理方面的应用过程如下：

将所得多孔生物载体吸附材料磨碎过200目筛，对城市二级出水进行吸附试验，通过比较对COD、NH₃-N和总P的吸附去除率来确定最佳配比和烧结温度。取50mL城市二级出水水样于锥形瓶中，加0.5g多孔生物载体吸附材料，保持25±1℃水浴震荡箱160r/min，吸附24h后离心分离，取上层清液用0145μm滤膜抽滤，分别用重铬酸钾分光光度法、钠氏分光光度法、钼锑抗分光光度法测吸光度，计算吸附去除率。确定最佳配比及烧结温度下的材料。再通过控制变量法，逐个控制投加量、pH、溶液温度、震荡速率，以确定最佳吸附条件。最佳吸附条件如下：

取50mL城市二级出水水样于锥形瓶中，加0.4-0.5g多孔生物载体吸附材料，保持25±1℃水浴震荡箱140-160r/min，COD和NH₃-N均可在4h内达到吸附平衡，对P进行吸附时15min即可达到吸附平衡。

本发明目的在于提供一种用于污水深度处理的一种材料，为城市污水深度处理增添一种选择。

本发明多孔生物载体吸附材料以麦秸秆、凹凸棒石和褐铁矿为原材料，在高温煅烧时，生物质(麦秸秆)高温条件下热解产生CO、H₂O、CO₂等挥发性物质溢出，从而使多孔生物载体吸附材料表面产生大量气孔，比单纯的烧结上述三种原料能产生更大的比表面积，更有利于吸附。另外以水和凹凸棒石代替粘结剂进行造粒，在烧结过程中不产生对环境有害的物质，减轻对环境的负担。

本发明多孔生物载体吸附材料在污水深度处理，去除二级出水中有机物及氮、磷，污水回用等方面有着良好的前景。由于多孔生物载体吸附材料的高比表面积，不仅有着较大的吸附容量和过滤作用，并且能为微生物的生存提供载体，从而降解材料所吸附和过滤的有机物和氮磷，使材料重新生成表面，过滤-吸附-降解三位一体，延长了材料的使用寿命。

四、附图说明

图1是麦秸、凹凸棒石和褐铁矿按质量比1:1:1的比例配料并于600℃下烧结所得样品的SEM照片。

图2是麦秸、凹凸棒石和褐铁矿按质量比1:1:1的比例配料并于700℃下烧结所得样品的SEM照片。

图3、是麦秸、凹凸棒石和褐铁矿按质量比1:1:1的比例配料并于800℃下烧结所得样品的SEM照片。

图4、是麦秸、凹凸棒石和褐铁矿按质量比1:1:1的比例配料并于900℃下烧结所得样品的SEM照片。

图5、是麦秸、凹凸棒石和褐铁矿按质量比1:1:1的比例配料并于1000℃下烧结所得样品的SEM照片。

图6是不同多孔生物载体吸附材料投加量对吸附效果的影响曲线。

图7是不同振荡速度对吸附效果的影响曲线。

图8是不同吸附时间对吸附效果的影响曲线。

图9是不同pH值对吸附效果的影响曲线。

五、具体实施方式

实施例1：

本实施例中多孔生物载体吸附材料的制备方法如下：

1、将麦秸用微型植物粉碎机破碎，过40目筛，得粉料a；

2、将凹凸棒石和褐铁矿粉末分别过70目筛，得到凹凸棒石粉料b和褐铁矿粉料c；

3、将粉料a、凹凸棒石粉料b和褐铁矿粉料c按一定质量比例混合均匀后加水造粒，粒径控制在6～10mm，随后于105℃下干燥得粒料；麦秸秆、凹凸棒石和褐铁矿的质量比为1:1:1。

4、将所得粒料置于高温管式炉中，氮气保护下分别于600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃高温烧结，冷却后得到基于褐铁矿的Fe/C多孔生物载体吸附材料。

高温烧结的升温过程控制如下：首先以2.5℃/min的升温速率从室温升至300℃，然后以3℃/min的升温速率从300℃升温至600℃，最后以4℃/min的升温速率从600℃升温至800-1000℃，达到所需温度点后保温4小时，随炉自然冷却。

5、取50mL城市二级出水水样于锥形瓶中，加0.5g多孔生物载体吸附材料，保持25±1℃水浴震荡箱160r/min，吸附24h后离心分离，取上层清液用0145μm滤膜抽滤，分别用重铬酸钾分光光度法、钠氏分光光度法、钼锑抗分光光度法测吸光度，分别计算COD、NH₃-N和总P的吸附去除率。结果见表1-3。

表1不同配比和烧结温度对COD的吸附去除率％

表2不同配比和烧结温度对NH₃-N的吸附去除率％

表3不同配比和烧结温度对P的吸附去除率％

由表1可知，900℃下质量配比为(麦：石：针＝1:1:1)的多孔材料对污水二级出水中COD的去除率最高，为63.28％。由表2可知，900℃下质量配比为(麦：石：针＝1:1:1)的多孔材料对污水二级出水中NH₃-N吸附去除率最大，为75.57％。由表3可知，900℃下质量配比为为(麦：石：针＝1:2:1)的多孔材料对水二级出水中总P吸附去除率最大，为99.57％。故确定最佳吸附条件时，选用多孔材料(麦：石：针＝1:1:1)对COD及NH₃-N进行吸附研究；选用多孔材料(麦：石：针＝1:2:1)对总P进行吸附研究。

实施例2：

本实施例中多孔生物载体吸附材料的制备方法如下：

1、将麦秸用微型植物粉碎机破碎，过40目筛，得粉料a；

2、将凹凸棒石和褐铁矿粉末分别过70目筛，得到凹凸棒石粉料b和褐铁矿粉料c；

3、将100g粉料a、100g凹凸棒石粉料b和100g褐铁矿粉料c混合均匀后加水造粒，粒径控制在6～10mm，随后于105℃下干燥得粒料；

4、将所得粒料置于高温管式炉中，氮气保护下于900℃高温烧结，冷却后得到基于褐铁矿的Fe/C多孔生物载体吸附材料。

高温烧结的升温过程控制如下：首先以2.5℃/min的升温速率从室温升至300℃，然后以3℃/min的升温速率从300℃升温至600℃，最后以4℃/min的升温速率从600℃升温至900℃，达到所需温度点后保温4小时，随炉自然冷却。

将50～500mg本实施例制备得到的多孔生物载体吸附材料投入50mL二级出水中，温度控制在20～50℃，震荡速度控制在80～160r/min。用重铬酸钾分光光度法、钠氏分光光度法测量吸光度，计算COD和NH₃-N的去除率。

实施例3：

本实施例的制备方法同实施例1，但所取粉料分别为100g粉料a，200g凹凸棒石粉料b和100g褐铁矿粉料c

将50～500mg本实施例制备得到的多孔生物载体吸附材料投入50mL二级出水中，温度控制在20～50℃，震荡速度控制在80～160r/min。用钼锑抗分光光度法测量吸光度，计算总P的去除率。

由实施例2、3表明，COD和NH₃-N均可在4h内达到吸附平衡，酸性条件不利于COD的吸附，NH₃-N的最佳吸附pH为中性，COD去除率最大达71.23％，NH₃-N去除率为76.56％。

由实施例2、3表明，对P进行吸附时，15min即可达到吸附平衡，震荡速度、温度、pH对吸附去除率影响不大，P的吸附去除率最大可达99.69％。