一种柳絮纤维生物质炭的制备方法及应用

本申请涉及一种柳絮纤维生物质炭的制备方法及应用，属于用于制备、再生或活化包含用碳化方法取得碳。

背景技术：

1、我国当前的水污染问题十分严峻，纺织印染废水排放量占全国工业废水统计排放量的11％左右，印染废水中的重金属是造成水质破坏的主要因素之一。酸性媒染染料常用的媒染剂重铬酸盐中包含了六价铬离子cr(vi)，具有很强的迁移性和环境危害严重。

2、在六价铬离子吸附去除方面，多见于下述期刊文献报道，如：yang等用浓度较低的hno3对生物质炭进行活化处理，通过硝化反应，控制速率将no2+接枝到生物质炭上，增加其含氧官能团，然后用na2s2o4快速还原，增加吸附位点，吸附量相较于未改性前提高了8倍，极大的提高了生物质炭对cu(ⅱ)吸附能力；林烨等以柳絮作为炭的前驱体，采用koh活化和氨气氛围高温炭化二步法制备了生物质氮掺杂多孔炭材料，制备的碳材料具有较高的氮含量和丰富的多孔结构，其电化学测试结果表明该种材料具有较好的质量比电容和极为优异的循环稳定性；吕爱超等将杨絮纤维用二步法非均相反应合成了偕胺肟基杨絮纤维素，将其用于吸附废水中的重金属cr(vi)离子，在一定条件下最大吸附量达到了70.6mg/g，其吸附过程符合langmuir吸附模型，说明改性杨絮纤维素对cr(vi)的吸附主要为单分子层吸附；温嘉伟等以棕榈树纤维为原材料制备koh活化生物质炭，其对pb(ⅱ)的最大吸附容量达到110.89mg/g。

3、目前，柳絮纤维在环境污染治理方面的研究还鲜有人涉及，柳絮纤维是优质的生物质资源，其微观形貌为中空的管状结构，有较高的中空度，适合制备生物质炭。在少氧和相对低温的条件下，将生物质原料经过热解炭化后制备的一种高比表面积和孔径的富炭物质，但相比于活性炭，生物质炭的微孔结构、比表面积以及吸附能力等特性还需要进一步提升，是目前的主要研究方向之一。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请首先提供一种柳絮纤维生物质炭的制备方法，利用限氧裂解法对柳絮纤维进行炭化活化处理制备柳絮纤维生物质炭。

2、具体地，本申请是通过以下方案实现的：

3、一种柳絮纤维生物质炭的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)炭化：将洗净后的柳絮纤维置于真空管式气氛炉中进行炭化，全程保持n2环境，炭化温度为350～600℃，升温速率为5℃/min，到达设定温度后保温1～3h，随后自然冷却，降至室温后取出样品，研磨初步获得较小的柳絮纤维生物质炭微粒；

5、(2)活化：按比例称取生物质炭微粒与活化剂(活化剂优选为koh和naoh)，然后加入一定量去离子水使活化剂浸没生物质炭，静置5min。随后置于100℃的真空烘箱中烘干，再放入双温区真空管式气氛炉中活化，全程保持n2环境，以5℃/min的速率升温至600～700℃，并保温0.5～3h。最后，自然冷却至室温后，经去离子水冲洗、过滤后于真空烘箱中100℃干燥2h，待冷却即制得柳絮纤维生物质炭。

6、进一步的，作为优选：

7、步骤(1)中，炭化温度为450-550℃。

8、步骤(2)中，活化剂优选为koh或naoh。

9、步骤(2)中，所述活化剂与生物质炭微粒的质量比为1:1～1:3。

10、本申请第二方面目的，是提供了上述柳絮纤维生物质炭作为吸附剂的应用，调节待处理废水ph至1～9，温度调整至20～60℃向其中加入上述制备的柳絮纤维生物质炭。

11、进一步的，作为优选：

12、所述溶液ph≤3并优选为ph≤2，体系的ph会影响cr(vi)在溶液中的形态，同时，ph值也会通过影响生物质炭的表面电荷和官能团形态，进一步影响吸附效率和吸附效果：cr(vi)在溶液中通常有hcro4-、cro42-、cr2o72-这3种形态，当ph值小于2时，cr(vi)以cr2o72-为主；ph在3.0～4.0时，cr(vi)主要以cr2o72-、hcro4-形态存在；在ph值大于7时，cr(vi)以cro42-为主。低于3特别是低于2的强酸性环境中的h+会增加生物质炭表面的质子化吸附位点，并促进cr(vi)氧化还原为cr(ⅲ)，同时在相同的静电吸附力作用下，cr2o72-所含cr(vi)是其他形态的2倍，占用吸附位点更少，所以生物质炭在ph≤3的强酸性环境对cr(vi)有更高的吸附效率。

13、所述吸附温度为25～45℃，增加温度显著有利于吸附剂对cr(vi)的吸附，随着温度的升高，吸附剂对cr(vi)的吸附量均增加，吸附过程伴随着热交换，随着温度的升高，柳絮生物质炭表面可利用的活性位点增多，同时伴随着cr(vi)的扩散速率变大。此外，温度的升高还会降低吸附质溶液的黏性，增加了cr(vi)穿过边界层和吸附剂孔内部的扩散速率，从而使吸附量增加。

14、所述水质中cr(vi)的离子浓度为20-110mg/l，柳絮纤维生物质炭的投加量为30～90mg/100ml 50mg/l cr(vi)，并优选为50mg/100ml 50mg/l cr(vi)溶液。由于生物质炭用量的增多，使得更多的cr(vi)包围在生物质炭周围从而使吸附更充分，因此，cr(vi)去除率与生物质炭用量表现出一定程度的正相关；但当投入量为50mg后出现吸附平台，由于生物质炭结合点位之间的静电感应和排斥作用，此时基本达到吸附平衡。

15、本申请针对目前酸性媒染染料废水中的六价铬cr(vi)对水体环境污染严重的问题，以柳絮纤维为原料，通过限氧裂解法制备了koh活化生物质炭(cbk)、naoh活化生物质炭(cbn)，采用吸附实验法研究模拟染料废液ph值、吸附剂投放量、温度效应等对柳絮纤维生物质炭吸附处理cr(vi)的影响，利用动力学和热力学相关模型对吸附过程进行拟合，探究柳絮纤维生物质炭对cr(vi)的吸附机制。结果表明：cbk较cbn比表面积显著增大，表面吸附位点增多；吸附过程符合freundlich热力学模型和准二级动力学模型，吸附过程主要为多分子层吸附，同时还伴随着化学吸附，该吸附反应是自发进行且为吸热反应，温度升高可显著提高柳絮纤维生物质炭对cr(vi)的吸附量。

技术特征：

1.一种柳絮纤维生物质炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2. 根据权利要求1所述的一种柳絮纤维生物质炭的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，炭化温度为450~550 ℃。

3.根据权利要求1所述的一种柳絮纤维生物质炭的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，活化剂为koh或naoh。

4.根据权利要求1所述的一种柳絮纤维生物质炭的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述活化剂与生物质炭微粒的质量比为1:1~3。

5.根据权利要求1所述的一种柳絮纤维生物质炭的制备方法，其特征在于：步骤（1）中升温至预设炭化温度，步骤（2）中活化剂与生物质炭微粒的质量比为1:1，升温至700 ℃进行活化。

6.一种权利要求1所述柳絮纤维生物质炭的应用，其特征在于，柳絮纤维生物质炭作为吸附剂用于待处理水质中六价铬离子吸附：调节待处理水质的溶液ph至1~9，温度调整至20~60 ℃，向其中加入10~130 mg柳絮纤维生物质炭，恒温震荡完成吸附。

7.根据权利要求6所述一种柳絮纤维生物质炭的应用，其特征在于：所述六价铬溶液ph调至1~3，吸附温度为25~45 ℃，吸附时间为6~12 h。

8.根据权利要求6所述一种柳絮纤维生物质炭的应用，其特征在于：水质中cr（vi）的离子浓度为20-110 mg/l，柳絮纤维生物质炭的投量为30~90mg /100mlcr（vi）溶液。

9.根据权利要求6所述一种柳絮纤维生物质炭的应用，其特征在于：所述柳絮纤维生物质炭的投量为50mg /100mlcr（vi）溶液，cr（vi）的离子浓度为50 mg/l。

10.根据权利要求6所述一种柳絮纤维生物质炭的应用，其特征在于：溶液ph≤2.0，吸附时间为8 h，100 ml 50 mg/l的cr（vi）溶液中加入吸附剂的用量为50 mg。

技术总结
本申请提供一种柳絮纤维生物质炭的制备方法及应用，属于用于制备、再生或活化包含用碳化方法取得碳技术领域。将清洗干燥后的柳絮纤维置于真空管式气氛炉中进行炭化，全程保持N<subgt;2</subgt;环境，升至350~600℃进行炭化，研磨得到生物质炭，再加入活化剂，加入去离子水使得生物质炭浸没在活化剂中，静置，随后真空烘干，再置于双温区真空管式炉中600~700℃活化，获得柳絮纤维生物质炭。上述方法制备得到的柳絮纤维生物质炭对重金属离子具有很好的吸附性能。

技术研发人员：郭筱洁,奚源
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12