一种基于咖啡壳活性炭吸附剂的制备方法及其产物与应用

本发明属于污水处理，具体涉及一种基于咖啡壳活性炭吸附剂的制备方法及其产物与应用。

背景技术：

1、地表水和地下水对世界各地人类的日常生活至关重要，然而，这些重要水资源的严重污染成为第九届世界水论坛的一个主要话题。贫穷国家的大多数工业废水未经适当管理就直接排入环境，因此有污染地表水和地下水的危险。重金属的生产行业多种多样，包括电镀、制革、采矿、染色、染料制造、钢铁制造、油漆和颜料，所有这些行业都对生态系统构成了重大威胁。电镀排放物中含有大量铬(cr)，这是一种对环境和公众健康有严重后果的重金属。只有30-40％的铬在电镀作业中得到有效利用，而剩下的cr则留在最后的流出液中，可高达1000mg/l，超过世界卫生组织对地表水水体0.05mg/l的可接受环境排放标准限度。这意味着电镀废水在排放到水生生态系统之前必须处理到允许的阈限以下。否则，未经处理的排放会导致环境中铬的积聚，并对水生动植物群和公共健康造成重大负面影响。过量的cr可引起皮肤刺激、上腹部不适、恶心、呕吐、严重腹泻、出血和癌症。因此，cr必须在处理前进行清除或回收。

2、目前，化学还原、沉淀、离子交换、膜分离、溶剂萃取、吸附和生物技术已经被研究认为是从各种类型的废水中去除cr的一些技术方法。尽管如此，这些技术中的一些应用是具有挑战性的。然而，当结合合适的再生过程时，吸附是去除重金属的一种有效和适应性很强的选择。活性炭因其孔隙率高、比表面积大、表面活性强而成为一种高效吸附剂。制备活性炭的廉价原料的可获得性使得吸附剂材料具有成本效益、饱和容量和可再生性，可以很容易地替代高成本的化学和生物处理工艺的局限性。因此，使用这些生态友好的、原位可获得的吸附剂材料去除不同废水中的重金属得到了更多的关注。咖啡作为世界三大饮料之一，在中国云南省的种植面积高达1.2万平方公里，咖啡年产量巨大。咖啡壳是咖啡制作过程中产生的一种副产品，据估计约占咖啡干重的20％。咖啡壳中纤维素和木质素含量较高，具有活性炭原料的特点。利用咖啡壳作为活性炭原料，不仅可以有效地利用废弃物资源，而且大大减低了活性炭的生产成本。然而，目前尚未有有效的对咖啡壳废弃物的处置手段，这进一步地增加了环境压力，和垃圾处理成本。

3、因此，寻求一种咖啡壳废弃物的低成本再回收利用的技术方案，具有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种基于咖啡壳活性炭吸附剂的制备方法，其操作方便、成本低廉；而且去除效果好、回收率高，是一种能够高效去除水体中重金属的方法，可以广泛使用。

2、本发明所采取的技术方案是：

3、一种基于咖啡壳活性炭吸附剂的制备方法，其包括以下步骤：

4、s1、将咖啡壳用甲醛水溶液清洗；

5、s2、将咖啡壳与改性二氧化硅共混并研磨，然后加入水溶液中搅拌分散，得到分散体；

6、s3、将所述分散体过滤干燥，然后煅烧，得到产物；

7、其中，所述改性二氧化硅为为表面部分接枝硅烷偶联剂，部分接枝脂肪酸的纳米二氧化硅。

8、在该技术方案中，改性二氧化硅的原料为羟基化的二氧化硅，其表面富有大量的具有活性的羟基，在溶液只能改易自发地和脂肪酸/硅烷偶联剂发生交联，从而形成部分脂肪酸接枝、部分硅烷偶联剂接枝的产物。一方面，该产物上接枝有长链，易于形成网状结构，从而可以更好地分散咖啡壳颗粒和二氧化硅，不易形成大块聚集；另一方面，长链本身作为有机物与咖啡壳结构更为近似，并且其缠绕功能，使得二氧化硅可以更为紧密地贴合到咖啡壳之上。以上两点，使得后续煅烧过程中，二氧化硅更易在咖啡壳上形成致密的、均匀且数量众多的多孔结构，极大地提升了咖啡壳的比表面积，进而提升了其吸附性。

9、优选地，所述研磨步骤为：经过筛网，磨成250-500μm大小。

10、进一步地，所述咖啡壳与改性二氧化硅的质量比为1:1-1:0.5。

11、进一步地，所述甲醛水溶液为含3-5wt％甲醛的水溶液。

12、进一步地，所述干燥条件为，100-110℃下，干燥24-30h。

13、进一步地，所述煅烧的条件为：500-600℃下，煅烧60-90min。

14、进一步地，所述改性二氧化硅的制备方法为：

15、l1、将纳米二氧化硅加入液态的脂肪酸中，超声处理后，进行加热反应，离心、洗涤、干燥，得到中间产物；

16、l2、将所述中间产物加入乙醇中，超声处理后，加入硅烷偶联剂，反应后，过滤、洗涤、干燥，得到改性二氧化硅。

17、进一步地，所述脂肪酸选自辛酸、壬酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸中的一种或多种。

18、进一步地，所述硅烷偶联剂选自kh550、kh560或kh570。

19、本发明的另一个目的在于提供上述基于咖啡壳活性炭吸附剂的制备方法所制备而成的基于咖啡壳活性炭吸附剂。

20、本发明的另一个目的在于提供上述基于咖啡壳活性炭吸附剂在污水处理方面的应用。

21、具体步骤为：将上述咖啡壳活性炭分散到重金属污染水体中，调节水体ph后进行重金属吸附。

22、优选地，所述重金属污染水体中cr(ii)浓度为1-50mg/l；

23、优选地，所述重金属污染水体ph调节为5.5-7.5；

24、优选地，所述咖啡壳活性炭投加量为10-50g/l；

25、优选地，所述搅拌速度为100-150rpm；

26、优选地，所述吸附时间为100-180min；

27、本发明具有以下有益效果：

28、1、本发明提供了一种基于咖啡壳活性炭吸附剂的制备方法，以及其吸附重金属的应用，能够低成本高效吸附废水中的重金属，既能实现咖啡壳废弃物的资源化利用，又能实现对水体中重金属的高效去除。

29、2、本发明提供的制备方法工艺简单，生产成本低，适合进行大规模生产应用。

技术特征：

1.一种基于咖啡壳活性炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述基于咖啡壳活性炭吸附剂的制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述基于咖啡壳活性炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述咖啡壳与改性二氧化硅的质量比为1:1-1:0.5。

3.根据权利要求1所述基于咖啡壳活性炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述干燥条件为，100-110℃下，干燥24-30h。

4.根据权利要求1所述基于咖啡壳活性炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述煅烧的条件为：500-600℃下，煅烧60-90min。

5.根据权利要求1所述基于咖啡壳活性炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述改性二氧化硅的制备方法为：

6.根据权利要求5所述基于咖啡壳活性炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述脂肪酸选自辛酸、壬酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸中的一种或多种。

7.根据权利要求5所述基于咖啡壳活性炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂选自kh550、kh560或kh570。

8.如权利要求1-7任一项所述基于咖啡壳活性炭吸附剂的制备方法所制备而成的基于咖啡壳活性炭吸附剂。

9.如权利要求8所述基于咖啡壳活性炭吸附剂在污水处理方面的应用。

技术总结
本发明涉及基于咖啡壳活性炭吸附剂的制备方法，其包括以下步骤：S1、将咖啡壳用甲醛水溶液清洗；S2、将咖啡壳与改性二氧化硅共混并研磨，然后加入水溶液中搅拌分散，得到分散体；S3、将所述分散体过滤干燥，然后煅烧，得到产物；其中，所述改性二氧化硅为为表面部分接枝硅烷偶联剂，部分接枝脂肪酸的纳米二氧化硅。本发明提供了一种基于咖啡壳活性炭吸附剂的制备方法，以及其吸附重金属的应用，能够低成本高效吸附废水中的重金属，既能实现咖啡壳废弃物的资源化利用，又能实现对水体中重金属的高效去除。本发明提供的制备方法工艺简单，生产成本低，适合进行大规模生产应用。

技术研发人员：路璐,李桂凤,任南琪,杨洋
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13