本发明涉及改性生物炭,尤其涉及一种钾改性生物炭基催化材料及其制备方法与应用。
背景技术:
1、生物炭是城市和农村固体废物在一定温度条件和限氧热解制备而成。利用生物质资源制备生物炭,用于环境修复已成为一个重要的研究方向。生物炭的来源广泛,价格低廉,是一种可持续发展的原材料,在碳封存、土壤肥率提升和污染修复等方面有着广泛的应用。值得强调的是,生物炭是一种优良的过硫酸盐催化活化剂,在去除水体中持久性有机化合物等污染物的应用中有着巨大的优势。
2、然而原始生物炭表现出很低的活化过硫酸盐的效率,当前,如何优生物炭的制备工艺和改性方法、提升其性能、降低成本以及实现其在不同领域的广泛应用,是该领域面临的主要挑战。现有技术中,通常使用fe、mn、co、ce等对生物炭进行改性,但还是存在对水体中持久性有机化合物的去除效果不佳的问题。
3、氯化钾是一种常见的盐类物质,在高温下热稳定好,使用氯化钾作为生物炭改性剂是一种环境友好且成本相对较低的方法,有利于大规模生产和应用。
4、因此,现提供一种钾性生物炭基催化材料的制备方法且能用于过硫酸盐的活化和污染物的降解修复应用。
技术实现思路
1、针对现有生物炭吸附材料对水体中持久性有机化合物的去除效果不佳的问题,本发明的目的在于提供一种钾改性生物炭基催化材料及其制备方法与应用,该催化材料具有比表面积大、孔隙率高和制备条件温和等特点,可用于活化过硫酸盐,用于处理有机选冶废水的处理,可减少选冶药剂对环境和人类的危害。
2、为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:
3、一种钾改性生物炭基催化材料的制备方法,其包括如下步骤:
4、s1、将生物炭与氯化钾按质量比为1:0.36-1:2球磨得混合物;
5、s2、将混合物在保护气氛下热解得到钾改性生物炭基催化材料。
6、本发明中,活化条件较为温和,对热解反应器的要求不高,腐蚀性低,产量大,生物炭基催化材料的制备活化过程中选用的钾盐为氯化钾。
7、进一步地,所述生物炭由生物质经高温炭化热解而得。
8、进一步地,所述生物质为城市或农村废弃物,例如,木材加工厂废屑、咖啡渣、稻壳等。
9、具体地,所述生物炭的制备方法如下:
10、将生物质粉碎后过100目筛,清洗数次并烘干备用;在氮气保护气氛下500-800℃炭化热解,制备生物炭,升温速率为5-10 ℃/min,热解时间为1-2 h。
11、进一步地,所述保护气氛为氮气氛。
12、进一步地,所述球磨时间为0.2-1h。
13、进一步地,所述热解温度为500-800℃,热解时间为1-2h。
14、进一步地,所述热解的升温速率为5-10℃/min。
15、进一步地,步骤s2中,所述热解之后还包括:通过稀盐酸和去离子水去除多余的钾盐或者表面存在的溶解性物质。氯化钾在生物炭基催化材料的制备温度下是半熔融或者熔融状态,不会分解,使用无毒盐有助于减轻潜在的环境风险。
16、原始生物炭相比,球磨辅助氯化钾改性的生物炭含氧官能团增加。这些表面官能团可以将电子传递给溶解氧、过硫酸盐和过氧化氢,形成活性氧自由基以降解有机污染物。本申请提供的钾盐改性的生物炭基催化材料的制备方法简便易行、绿色温和可操作性强。制得的钾盐改性的生物炭基催化材料具有良好比表面积和丰富孔隙的纳米复合改性生物炭材料,在水污染处理,特别是活化过二硫酸盐降解水体有机污染物的方面具有优异的处理效率和稳定性能。
17、本发明还提供了一种由上述制备方法所得到的钾改性生物炭基催化材料。
18、本发明还提供了上述钾盐改性生物炭基催化材料在活化过二硫酸盐降解水体有机污染物中的应用。
19、本申请的有益效果如下:
20、(1)本发明提供一种来自城市和农村的废弃物的生物炭基催化材料的制备方法,制备的生物炭具有原材料来源广泛,价格低廉和结构性质可调控等特点,扩大生物炭基催化材料在环境修复和水污染控制方面的应用范围和潜力;
21、(2)本发明的改性方法选用了腐蚀性低氯化钾作为活化剂,使用球磨辅助干法改性,制备的生物炭基催化材料具有大比表面积、丰富的空隙结构和含氧官能团等特点,减少了制备过程中高腐蚀性酸碱液处理处置等问题,并增加生物炭基催化材料活化过硫酸盐的活性位点。在活化过二硫酸盐(ps)降解水体有机污染物的方面具有优异的处理效率和稳定的循环性能。
22、(3)本发明提供的钾改性生物炭基催化材料具有较大的比表面积,对多种有机污染物具有很好的吸附效果。同时,与原始生物炭相比,修饰后的生物炭官能团也会增加。这些表面官能团可以将电子传递给溶解氧、过硫酸盐,形成活性物种以降解有机污染物。高温热解所带来的较高的石墨化程度也使得材料可以直接将氧化剂传递电子给污染物;同时,钾盐改性后生物炭等电点升高,可以增强生物炭基催化材料与污染物的相互作用,从而使生物炭基催化材料在较宽的ph范围内均可以活化过硫酸盐降解污染物。
23、综上,本发明中制备的钾盐改性生物炭基催化材料具有绿色高效等特点。
1.一种钾改性生物炭基催化材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述生物炭由生物质经高温炭化热解而得;所述生物质为城市或农村废弃物。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述生物炭的制备方法如下:
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述保护气氛为氮气氛。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述球磨时间为0.2-1h。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述热解温度为500-800℃,热解时间为1-2h。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述热解的升温速率为5-10℃/min。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤s2中,所述热解之后还包括:通过稀盐酸和去离子水去除多余的钾盐或者表面存在的溶解性物质。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的制备方法所制备的钾改性生物炭基催化材料。
10.如权利要求9所述钾盐改性生物炭基催化材料在活化过二硫酸盐降解水体有机污染物中的应用。