一种具有高效重金属吸附性能生物炭的制备方法及其应用与流程

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本发明属于环境功能材料与生物质资源化利用领域，具体涉及一种改性污泥生物炭材料及其制备方法与应用。


背景技术：

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重金属已广泛用于各种工业中，包括采矿，皮革鞣制，电镀，钢铁冶金或颜料合成和染色等，这导致不可避免地将重金属随着污水管道最终释放到水体环境中。其具有高毒性和不可生物降解性的特点，如果不经适当处理就将对水生生物和人类健康构成严重威胁。研究表明铅作为剧毒的重金属之一，对人体健康构成威胁，主要影响人体中枢神经系统，引起肝炎、肾病综合症等疾病；cr
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通常以更易移动、易溶和有毒的氧阴离子形式存在，而皮肤直接接触铬化合物则会造成皮肤伤害，也会影响呼吸道、眼、耳、肠胃道等；过量的铜会引起肝硬化、腹泻、呕吐、运动障碍和知觉神经障碍等。因此，推广更为高效、无二次污染的方法来去除水体中的重金属离子成为了人们所关注的。
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传统的重金属污水处理方法存在一定的弊端，如物化法一般费用很高，容易造成二次污染；生物法只能处理浓度相对较低的且时间冗长。许多研究都报道了生物炭作为用于去除重金属的吸附剂。由于其结构稳定，比表面积和孔体积大，活性官能团丰富，生物炭在环境修复、土壤改良和废水处理中具有广阔的应用前景。尽管生物炭成本低廉且容易获取，但其吸附能力有限。此外，生物炭缺乏稳定性和可重复使用性，且其粒径小使得其难以从废水中回收。以上因素限制了生物炭在实际废水处理中的应用，且生物炭对有些重金属污染物的吸附能力有限，为了获得吸附特性更强的生物炭，需要对生物炭进行改性以增强它的与吸附能力相关的理化性质。因而，本发明采用在生物炭上负载高效绿色的环境材料即纳米零价铁以提升生物炭对重金属的吸附容量。普通的零价铁对于某些污染物确有一定的效果，但其降解速度慢且有可能会产生剧毒副产物，而纳米零价铁具有极高的比表面积，能实现对大多数重金属的还原反应，在去除水体中的有机污染物和重金属方面显示出优异的性能。研究已经表明，将nzvi掺入生物炭基质中能增强其吸附性能。因此，本发明以市政污泥为原料，复合纳米零价铁通过高温慢速热解法制备出改性生物炭(nzvi-bc)，将其应用于重金属铬(cr)、铜(cu)、铅(pb)的吸附去除，为提高对水中重金属吸附去除的生物炭的制备提供了一种新方式，而且实现了的污泥资源化利用。


技术实现要素：

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针对上述存在问题和技术分析，本发明的一个目的是提供一种改性污泥生物炭材料的制备方法，该方法操作简单，原料易得，制备出的nzvi-bc具有较大的比表面积和还原性。本发明的另一目的是实现污泥的资源化利用。
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为实现上述的第一个目的，本发明采用了以下的技术方案：
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一种具有高效重金属吸附性能生物炭的制备方法，包括以下步骤：
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(1)将污泥置于烘箱中在100℃下烘干至恒重，取出研磨并过100目筛；
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(2)将步骤(1)的污泥放入管式炉中，通n2并以10℃/min的速率升温至700℃停留两小时，之后冷却至室温，得污泥基生物炭bc；
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(3)制备两份50ml乙醇和水的混合溶液命名为a、b溶液，乙醇和水的体积比为1:1；向a溶液中加入2g步骤(2)中制备的污泥基生物炭bc，同时向b溶液中加入20.75g fecl3·
6h2o和2g十六烷基三甲基溴化铵(ctab)，其中ctab的作用是防止后续反应中生成的纳米粒子发生凝聚；
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(4)将步骤(3)制备的两份溶液加入到三颈烧瓶中搅拌30min，之后将三颈烧瓶中的一个颈用于供应惰性n2气体，以将空气驱入烧瓶中，以防止zvi氧化。从另一颈逐滴添加150ml的0.6mol/l kbh4，并在25℃下搅拌6h，静置老化3d；
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(5)将步骤(4)中的混合液在15000rpm离心15min，再将固体用200ml乙醇洗涤五次，并在-50℃下真空冷冻干燥得到具有高效吸附重金属性能生物炭nzvi-bc。
[0012]
为实现上述的另一个目的，本发明采用了以下的技术方案:
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一种改性污泥生物炭材料的应用，作为重金属cr、cu、pb的吸附剂，用于高效吸附重金属cr、cu、pb。
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本发明的有益效果：通过高温慢速热解法成功地制备了改性污泥生物炭(nzvi-bc)，用于水中重金属的吸附去除，该材料具有还原性好、比表面积大等优点。本发明工艺简单，制备原料具有来源稳定、成本低等优点，同时也为污泥的资源化利用提供了新途径，具有良好的环境效应和社会效应。
附图说明
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图1是本发明改性污泥生物炭材料的扫描电镜图(sem)。
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图2是本发明改性污泥生物炭材料的xrd图谱。
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图3是本发明改性污泥生物炭材料对重金属cr、cu、pb吸附去除的动力学研究图。
具体实施方式
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下面结合实施例对本发明进行详细说明，以使本领域技术人员更好地理解本发明，但本发明并不局限于以下实施例。
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实施例1：
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改性污泥生物炭材料：取少许市政污泥，置于烘箱中在100℃下烘干至恒重，取出研磨过100目筛放入管式炉中，通n2并以10℃/min的速率升温至700℃停留两小时，之后冷却至室温，得污泥基生物炭bc；制备两份50ml乙醇和水的混合溶液(v:v为1:1)命名为a、b溶液，向a溶液中加入2g制备的污泥基生物炭bc，同时向b溶液中加入20.75g fecl3·
6h2o和2g十六烷基三甲基溴化铵(ctab)，再将制备的两份溶液加入到三颈烧瓶中搅拌30min，之后将三颈烧瓶中的一个颈用于供应惰性n2气体，以将空气驱入烧瓶中，以防止zvi氧化。从另一颈逐滴添加150ml的0.6mol/l kbh4，并在25℃下搅拌6h，静置老化3d；最后将混合溶液在15000rpm离心15min，再将固体用200ml乙醇洗涤5次，并在-50℃的温度条件下真空冷冻干燥得到具有高效吸附重金属性能生物炭nzvi-bc。
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nzvi-bc吸附材料的sem分析结果(图1)表明有粗大和不规则形状的微型聚集体的形态。bc中出现的部分孔结构在修饰后被nzvi颗粒阻塞。通过eds分析进一步证实了nzvi在
改性生物炭表面的覆盖度。如图2所示，材料只有氧化硅和碳酸钙的峰，而改性后在35
°
附近的主峰确认了nzvi的存在，表明纳米零价铁颗粒成功地负载在了污泥基生物质的表面上。
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实施例2：
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实施例1中所制备得到的nzvi-bc用于吸附去除重金属铬(cr)的动力学研究：将适量的cr(vi)溶解在容量瓶中制备1000mg/l的原液，然后用10mm nano3的背景电解质稀释至所需浓度。用0.1m hcl和naoh调节溶液ph为2-12，间隔为1，最终调节溶液ph为3，然后将反应瓶置于温度为298k的恒温振荡器中震荡360min，并于不同时间段(1min、5min、10min、30min、60min、180min、360min、540min、720min和1440min)取上层清液，用0.45μm滤膜过滤，并通过液相色谱仪测定样品中重金属cr的剩余含量。结果如图3所示，吸附速率在180min前较快，然后吸附速率开始降低，最后在540min左右达到平衡，平衡时bc对cr的吸附量仅为54.39mg/g(图3)，同时nzvi-bc对cr的吸附量达到174.6mg/g(图3)。
[0024]
实施例3：
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实施例1中所制备得到的nzvi-bc用于吸附去除重金属铜(cu)的动力学研究：将适量的铜(cu)溶解在容量瓶中制备1000mg/l的原液，然后用10mm nano3的背景电解质稀释至所需浓度。用0.1m hcl和naoh调节溶液ph为2-12，间隔为1，最终调节溶液ph为4，然后将反应瓶置于温度为298k的恒温振荡器中震荡360min，并于不同时间段(1min、5min、10min、30min、60min、180min、360min、540min、720min和1440min)取上层清液，用0.45μm滤膜过滤，并通过液相色谱仪测定样品中cu的剩余含量。结果如图3所示，吸附速率在180min前较快，然后吸附速率开始降低，最后在540min左右达到平衡，平衡时bc对cu的吸附量仅为58.39mg/g(图3)，同时nzvi-bc对cu吸附量分别达到209.5mg/g(图3)。
[0026]
实施例4：
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实施例1中所制备得到的nzvi-bc用于吸附去除重金属铅(pb)的动力学研究：将适量的铅(pb)溶解在容量瓶中制备1000mg/l的原液，然后用10mm nano3的背景电解质稀释至所需浓度。用0.1m hcl和naoh调节溶液ph为2-12，间隔为1，最终调节溶液ph为4，然后将反应瓶置于温度为298k的恒温振荡器中震荡360min，并于不同时间段(1min、5min、10min、30min、60min、180min、360min、540min、720min和1440min)取上层清液，用0.45μm滤膜过滤，并通过液相色谱仪测定样品中pb的剩余含量。结果如图3所示，吸附速率在180min前较快，然后吸附速率开始降低，最后在540min左右达到平衡，平衡时bc对pb的吸附量仅为164.12mg/g(图3)，同时nzvi-bc对pb吸附量分别达到598.8mg/g(图3)。