一种生物炭膜的制备方法与流程

本发明属于生物炭环保材料制备领域，尤其涉及一种生物炭膜的制备方法。

技术背景

生物炭是一种从生物质加热裂解得到的富碳产物，由于其丰富的孔隙结构、巨大的比表面积以及特殊的表面性质，其对环境中的污染物具有很好的吸附去除作用，并且在水污染治理以及土壤修复等领域引起了广泛的关注。但是，到现在为止，所有对于生物炭材料的应用都是基于颗粒态的形式，颗粒态生物炭的应用过程中难免会产生颗粒流失问题，并且对后期的固/液分离、循环利用等造成一定的困难。同时生物炭流入环境当中存在不可控的迁移转化过程及毒性作用，导致颗粒态的生物炭在水污染处理以及土壤治理中也存在不可控的风险。与常规的活性炭相比，生物炭制备方法简单，成本低，同时可以通过裂解温度调控其结构特征。所以，研究并开发新型生物炭器件对于生物炭的应用具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种生物炭成膜的方法，将生物炭器件化，解决现有应用中存在的问题。在既解决其颗粒流失回收的同时，保证其吸附能力的同时又使其具有颗粒物截留的能力，为生物炭的应用提供更广泛的空间。

为了解决生物炭的流失，回收及循环利用问题，同时保证其吸附能力并赋予其颗粒截留的能力，本发明提供了一种有效的生物炭器件化方法：将生物炭与高分子聚合物结合，通过相转换刮膜法制备得到独立的生物炭膜

本发明的目的具体是通过以下技术方案实现：

生物炭膜的制备方法具体如下：首先，以生物质通过高温裂解得到的生物炭为单元，以高分子聚合物为交联剂，均匀混合形成铸膜液，再将铸膜液通过相转换的方法得到生物炭膜。

作为优选，所述的生物质为木屑。

作为优选，所述的生物质的高温裂解过程在限氧条件下进行。

作为优选，所述的裂解温度为100–1800℃，优选为300～700℃。

作为优选，所述的生物质在进行高温裂解之前，预先通过至少500目的筛网。由此可以保持生物炭材料尺寸为微米级，目的是容易使生物炭与高分子聚合物混合均匀。

作为优选，所述的铸膜液制备方法为：将聚偏二氟乙烯与聚乙烯吡咯烷酮溶解于二甲基乙酰胺中，得到多聚物溶液，再将其与所述的生物炭均匀混合得到铸膜液。

作为优选，所述的铸膜液中，生物炭的质量百分比控制在1％-50％。

作为优选，所述的相转换方法为：将铸膜液在玻璃板上，利用刮膜机刮制成均匀的生物炭膜，将生物炭膜进行固化后置于水中，溶解掉膜中的聚乙烯吡咯烷酮造孔剂，最后进行干燥处理。利用刮膜机进行制备膜材料，目的是通过相转换快速成膜，同时精确控制膜的厚度。

作为优选，铸膜液在进行相转换之前，预先在真空条件下进行脱气，目的是排除其中的气泡。。

作为优选，制备过程中，通过添加不同温度下裂解的生物炭调节膜的表面性质。

本发明提供了一种新型的生物炭器件化的方法，使生物炭与高分子聚合物相互结合，并通过相转换的方法固化成膜。实际使用中，该膜具有以下优势：

1、得到的生物炭膜独立于基底稳定存在，具有很好的机械强度，可满足在不同应用中的强度要求。

2、得到的膜首次将生物炭器件化，防止了其在使用过程中的流失。

3、膜同时具备污染物吸附与颗粒物截留的能力能有效去除水中，空气中的污染物。

4、膜具有很好的抗污染能力。

5、膜可以循环利用，有效实现吸附与脱附再生。

由于这种新型生物炭膜同时具备吸附与截留能力，并且有高效的抗污染与循环再生性，所以在水体净化、空气净化、土壤修复等领域有很大的应用潜力。

附图说明

图1为各实施例制得的生物炭膜的吸附能力曲线图；

图2为实施例m75制得的生物炭膜的吸附-脱附循环使用性能曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明做进一步阐述，以便本领域的技术人员更好得理解本发明的实质。本发明中试剂或材料，若无特殊说明，均为市售产品。

实施例m31

本发明的制备过程通过相转换刮膜法实现，制备前不同温度的生物炭与聚偏二氟乙烯(pvdf)，聚乙烯吡咯烷酮(pvp)，根据不同的比例先通过搅拌充分分散在二甲基乙酰胺(dmac)中，然后利用刮膜机，制备得到均匀的独立的生物炭膜。具体步骤如下：

(1)生物炭具体制备过程：

将木屑生物质，通过清洗、干燥并研磨通过500目筛网，将研磨过筛后的生物质放在坩埚内，并置于马弗炉中，在300℃及限氧条件下裂解，升温速度5℃每分钟，裂解时间6小时，制备得到生物炭。

(2)将一定量的pvdf与pvp溶解于dmac中，使pvdf与pvp在溶液中的质量比为17％与1％，并在70℃条件下搅拌均匀，得到多聚物溶液。

(3)将制备得到的生物炭加入所得的多聚物溶液中，并混合均匀，形成铸膜液，铸膜液中生物炭的质量分数控制为10％。

(4)将铸膜液预先在真空条件下进行脱气，然后放于玻璃板上，再置于刮膜机上，将刮膜刀高度设为200μm，制得生物炭膜。

(5)将固化后的膜置于水中，溶解掉膜中的pvp造孔剂。

(6)干燥后，得到成品生物炭膜。

实施例m33

本实施例与实施例m31相比，其区别仅在于将步骤(3)的铸膜液中生物炭的质量分数控制为30％，其余均相同。

实施例m35

本实施例与实施例m31相比，其区别仅在于将步骤(3)的铸膜液中生物炭的质量分数控制为50％，其余均相同。

实施例m71

本实施例与实施例m31相比，其区别仅在于将步骤(1)的裂解温度控制在700℃，其余均相同。

实施例m73

本实施例与实施例m31相比，其区别仅在于将步骤(1)的裂解温度控制在700℃，将步骤(3)的铸膜液中生物炭的质量分数控制为30％，其余均相同。

实施例m75

本实施例与实施例m31相比，其区别仅在于将步骤(1)的裂解温度控制在700℃，将步骤(3)的铸膜液中生物炭的质量分数控制为50％，其余均相同。

实施例m0

本实施例与实施例m31相比，其区别仅在于不添加生物炭，直接成膜，其余相同。

对实施例m31、m33、m35、m71、m73、m75得到的成品生物炭膜进行观察，其结果表明：随着生物炭比例的添加生物炭膜的颜色逐渐加深，反映了生物炭的含量也逐渐增加，同时随着膜中生物炭含量的增加其吸附能力逐渐增强。

用染料分子罗丹明b，表征其吸附能力，如图1所示，生物炭膜对于污染物有很好的吸附去除能力，同时，随着生物炭添加量的增加，其吸附能力逐渐增强，同时高温生物炭的添加比低温生物炭效果更明显。

用酒精：水＝1：1溶液清洗吸附后的实施例m75得到的成品生物炭膜，其循环使用性能如图2所示，结果表明生物炭膜再经过脱附后，其吸附性能可以得到很好的恢复，多次脱附后污染物的出水浓度依然维持在极低水平，实现了膜的循环使用。

以上所述的实施例这是本发明较佳方案中的一种，然其并非用以限制本发明。例如，尽管上述实施例中，生物炭是木屑生物炭，然其并不意味着必须是木屑生物炭，只要是生物质裂解产生的碳质材料都归为生物炭。同时裂解温度范围可扩展到100–1800℃，根据不同的需要进行调节，但300～700℃效果较好，且添加高温生物炭比低温生物炭对吸附能力的提高效果更明显。上述实施例仅列出了高分子聚合物pvdf作为交联剂，但经过试验，在材料进行调整后改为尼龙、纤维素酯、聚四氟乙烯等聚合物交联剂也能达到同样的效果。上述实例中，生物炭在膜中的比例也可根据不同需要改变。上述实施例中刮膜机制备膜为一种较为简便的方法，也可采用旋转涂布的方法或者其他相转换方法进行。

由此可见，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效替换的方式获得的技术方案，均落在本发明的保护范畴内。