一种微量氧气气氛热解制备毛竹生物炭的方法与流程

本发明涉及生物炭材料制备技术领域，具体来说，涉及一种微量氧气气氛热解制备毛竹生物炭的方法。

背景技术：

重金属多为非降解型有毒物质，不具备自然净化能力，一旦进入环境就很难从环境中去除。目前重金属污染的治理方法以物理化学方法为主，生物修复技术作为经济、高效、环保的治理技术也受到广泛关注。利用超富集植物从水体中将重金属提取到植物上部，人工收获转移，焚烧后用于提取重金属，使其变废为宝。因此生物修复技术的可行性和有效性将逐渐加强，在治理和防治重金属污染方面将发挥更大作用,具有良好的应用前景。

水体重金属污染的治理方法总的来说，采用以下两条基本途径，一是降低重金属在水体中的迁移能力和生物可利用性；二是将重金属从被污染水体中彻底清除。具体来书，具有如下方法：

1.混凝沉淀法，加入碱性物质，使水体ph值升高，能使大多数重金属生成氢氧化物沉淀。

2.离子还原法和交换法，利用一些容易得到的还原剂将水体中的重金属还原，形成无污染或污染程度较轻的化合物，从而降低重金属在水体中的迁移性和生物可利用性，以减轻重金属对水体的污染。

3.电动力学修复技术，给受重金属污染的水体两端加上直流电场，利用电场迁移力将重金属迁移出水体。

4.植物修复法，利用特定植物实施污染环境治理的技术统称，通过植物对重金属元素或有机物质的特殊富集和降解能力来去除环境中的污染物，或消除污染物的毒性，达到污染治理与生态修复的目的，例如凤眼莲、水芹能很好地除掉污水中的cd、cr和cu等重金属。

5.动物修复法，应用一些优选的鱼类以及其它水生动物品种在水体中吸收、富集重金属，然后把它们从水体中驱出，以达到水体重金属污染修复的目的。

6.微生物修复法，主要包括微生物对重金属的固定和形态的转化。

以上方法均存在成本过高的缺点，而以上方法4~6虽然相对来说成本较低，但是存在即时性差，吸附容量低的缺点，如何解决水环境重金属去除过程吸附容量低、成本过高这一技术问题是本领域一直以来关注解决的技术问题。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种微量氧气气氛热解制备毛竹生物炭的方法，应用于去除水体中吸附重金属铅，有效解决了水环境重金属去除过程吸附容量低、成本过高等缺点。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种微量氧气气氛热解制备毛竹生物炭的方法，包括如下步骤：

s1.毛竹经预处理，至干净且干燥的碎片状态；

s2.将预处理后的毛竹经微量氧气气氛热解，所述微量氧气气氛为氧气与氮气的混合气体，所述混合气体中，氧气的体积比例为0%~4%；

s3.将步骤s2中热解产物，粉碎过筛后，得到毛竹生物炭。

进一步地，所述预处理具体包括如下步骤：将新鲜成年毛竹放置干燥处风干，用超纯水冲洗3遍，放置于105℃烘箱内烘烤24h，粉碎后用超纯水清洗、烘干。按照上述方法进行预处理，可以去除尘土和水分对热解过程的影响，使最终得到的生物炭纯度更高，对重金属离子的吸附性能更好，尤其是粉碎后的清洗和烘干，可以让除尘土和水分对热解过程的影响降至最低。

进一步地，所述粉碎方法为，将毛竹通过铡刀切成1cm×1cm的碎片，用尼龙网筛过筛，得到80~100目的毛竹碎片。

进一步地，所述粉碎方法为，将毛竹直接采用剪切成长度为5~10cm的碎片。

进一步地，步骤s2具体包括如下步骤：

步骤a.将预处理后的毛竹放入真空管式炉，用o2和n2混合气体置换真空管式炉内的空气；

步骤b.对真空管式炉内的毛竹进行热解，热解过程持续通入o2和n2混合气体直到反应结束。

进一步地，所述步骤a中用o2和n2混合气体置换真空管式炉内的空气的方法具体为：对真空管式炉抽真空，至真空度达到-0.1mpa，通入o2和n2混合气体，恢复常压，重复上述操作一次。通过此方式置换空气，可以使真空管式炉内的残存空气降低到对热解过程几乎无法造成影响的程度。

进一步地，所述步骤b中对真空管式炉内的毛竹进行热解的方法具体为：打开真空管式炉的出气阀，使出气的流量维持为200ml/min，以20℃/min的速率升温至450℃，保持1~8小时，优选为2~4小时，既可以保证热解完全，又不会产生过多能源和材料的浪费；热解过程持续通入o2和n2混合气体，直到反应结束，将管式炉降至室温。

进一步地，所述毛竹可以用刚竹代替。

进一步地，所述真空管式炉可以用气氛马弗炉代替。

本发明的有益效果：（1）采用生长迅速，经济竹毛竹作为原材料，材料易得，利于生物炭的规模化生产，制作工艺简洁，生产成本低廉。

（2）采用微量氧气共热解，氧气的添加，有助于生物炭灰分组成种类和数量的增加，提高对重金属吸附效果。

（3）本发明制备所得吸附材料有效提升重金属铅吸附容量，对水环境中重金属吸附容量达到35.4mg·g；具有较高的经济和应用价值。

附图说明

图1为本发明实例四中制备的毛竹生物炭的扫面电镜图；

图2为本发明实例四中制备的毛竹生物炭吸附铅离子后的扫面电镜图；

图3为本发明实例四中制备的毛竹生物炭的红外光谱图；

图4为本发明实例四中制备的毛竹生物的吸附铅离子后x射线衍射图；

图5为不同热解氧含量毛竹生物炭对水体中铅离子的吸附效果比对图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，实施例仅用于解释本发明，不用以限制本发明。

实施例一

新鲜成年毛竹放置干燥处风干，用超纯水冲洗3遍，去除表层灰尘，放置于105℃烘箱内烘烤24h，通过铡刀切成1cm×1cm的碎片，尼龙网筛过筛，得到80~100目的毛竹碎片，用超纯水水洗3遍后，置于90℃±2℃烘干5h。

将预处理后的毛竹放入真空管式炉，抽真空，至真空度达到-0.1mpa，然后通入o2和n2混合气体，所述混合气体中，o2体积比例为0%，恢复常压后，重复抽真空、通气操作一次，再次恢复常压。

打开真空管式炉的出气阀，使出气的流量维持为200ml/min，以20℃/min的速率升温至450℃，保持温度4小时，热解过程持续通入o2和n2混合气体，直到反应结束管式炉降至室温。

将热解产物粉碎过筛后，得到生物炭。

实施例二

实施例二与实施例一的不同之处在于，所述混合气体中，o2体积比例为1%。

实施例三

实施例三与实施例一的不同之处在于，所述混合气体中，o2体积比例为2%。

实施例四

实施例四与实施例一的不同之处在于，所述混合气体中，o2体积比例为4%。

实施例五

实施例五与实施例四的不同之处在于，将毛竹替换为同属中刚竹。

实施例六

实施例六与实施例四的不同之处在于，将真空管式炉替换为气氛马弗炉。

实施例七

实施例七与实施例四的不同之处在于，粉碎方法为，将毛竹直接采用剪切成长度为5~10cm的碎片。

将上述实施例一至实施例七所得到的生物炭进行吸附效果测试，测定方法包含如下步骤：配置含铅100mg/l硝酸镉溶液40ml于离心管中加入p1质量为0.08g，设置3个平行样本，设置不添加生物炭的空白样本，然后将离心管放置于150r/min恒温培养箱中24℃振荡24h，离心后取上清液，利用icp-oes测定平衡液中剩余铅离子含量，从而获得生物炭吸附量。分析结果如下：

将实施例一至四进行比较可知，当o2体积比例为4%时，得到的生物炭的生物炭灰分含量最高，对铅离子吸附量也最高。

将实施例四与实施例五进行比较可知，将毛竹替换为刚竹，得到生物炭的重离子吸附效果也非常好。

将实施例四与实施例六进行比较可知，使用气氛马弗炉进行热解，得到生物炭的重离子吸附效果也非常好。

将实施例四与实施例七进行比较可知，采用直接剪切的方式进行粉碎，得到生物炭的重离子吸附效果也非常好。

将实施例四中所得生物炭进行重金属污水的吸附量测试，测得吸附容量达到35.4mg/g。

本发明通过以毛竹为原材料，在微量氧气（1%-4%氧含量）气氛下，高温热解生成富含碳的生物炭。原材料成本较低，得到的生物炭具有较大的比表面积和孔隙度，对重金属铅离子具有广谱性的吸附效果，且无二次污染。在450℃条件下随着热解氧含量增加，生物炭对重金属铅的吸附容量显著增加。本发明的优点是：通过引入微量氧气，制备生物炭灰分显著增加，从而在低温热解条件下，获得高效的重金属吸附剂。

综上所述，以毛竹为原材料制备的生物炭，可应用于水环境中去除重金属铅离子过程。本发明客服现有吸附技术对重金属吸附过程中吸附效果差、成本高的问题；同时生物炭的碳化过程，造成碳酸封存在生物炭内，减少温室气体co2的排放，对环境生态效应有益。