一种基于碱性木素的氮掺杂生物炭及其低温热解制备方法和应用

本发明属于涉及生物炭材料，尤其涉及一种基于碱性木素的氮掺杂生物炭及其低温热解制备方法和应用。

背景技术：

1、随着中国的工业和农业迅速发展，环境问题日益复杂化。据报道，超过80％的水体受到了不同程度的污染，其中许多水体存在严重的有机污染物超标情况。由于这些有机污染物具有高毒性和难以降解的特点，传统的处理方法(如生物法、吸附法和萃取法)在净化过程中往往会面临效率低、成本高及有害副产物生成等问题。近年来，基于过硫酸盐的高级氧化技术备受关注。相较于过氧化氢，过硫酸盐更易被外加能源或催化剂激活，因而产生存活时间更长、氧化能力更强的硫酸根自由基。因此，该技术被认为是一种有效的水污染治理途径。同时，过硫酸盐催化反应对反应条件的要求较为宽松，可以通过多种方式(如热、超声波、过渡金属、过渡金属氧化物、复合氧化物和碳材料等)进行激活。碳材料作为是一种优质的催化剂，备受研究员的关注，其具有生物相容性好、来源广泛、比表面积大、耐酸碱性和无金属浸出的特点，在实际场景的应用具有很好的前景。

2、生物炭是一种低成本、易获取和环保的替代品，且作为一种可持续发展的催化剂材料，具有巨大的潜力和前景。但现有的生物炭材料的制备一般都以高温热解作为合成方法，热解方法采用低温制备的生物炭催化剂材料对过硫酸盐的激活效率差，急需要找寻一种低温制备方法以克服障碍。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中存在的煅烧制备生物炭催化剂需要的高温条件(700～1000℃)对于能源浪费的缺点与不足，同时也为了解决以往生物炭催化剂难以激活过硫酸盐，降解污染物效率低的问题，本发明的首要目的在于提供一种基于碱性木素的氮掺杂生物炭的低温热解制备方法。

2、本发明的另一目的在于提供上述制备方法制备得到的基于碱性木素的氮掺杂生物炭。

3、本发明的再一目的在于提供上述基于碱性木素的氮掺杂生物炭的应用。

4、本发明的目的通过下述技术方案实现：

5、一种基于碱性木素的氮掺杂生物炭的低温热解制备方法，包括以下操作步骤：将碱性木素预处理后的材料与无机盐、尿素一起混匀研磨，真空干燥，经过低温煅烧后，洗涤后鼓风干燥得到基于碱性木素的氮掺杂生物炭。

6、所述碱性木素为商业购买的碱性木素。

7、所述预处理为热解处理，具体是以5～15℃/min的升温速率升温至350℃～400℃保留1～4 h进行热解处理。

8、所述研磨是在添加了乙醇和水的玛瑙研钵内研磨15～25 mi，其中乙醇和水的体积比3：2，乙醇和水的总体积为10～15 ml。

9、所述碱性木素预处理后的材料、无机盐和尿素的质量比为(3～4)：(20～25)：(6～8)；所述无机盐成分为质量比为1：(1～2)的氯化钾和氯化钠。

10、所述低温煅烧是在流速为40～80 ml/min的氩气保护气氛中，以1～10℃/min的升温速率升温至400℃～500℃保留1～4 h。

11、所述真空干燥是在温度80℃下保持2～12 h；所述洗涤是采用超纯水洗涤材料三次，每次使用超纯水20～50 ml；所述鼓风干燥的温度设置为60℃～80℃，保持8 h～12 h。

12、一种由上述的制备方法制备得到的基于碱性木素的氮掺杂生物炭。

13、上述的基于碱性木素的氮掺杂生物炭在去除废水中有机污染物的应用，所述应用按照以下操作步骤：在搅拌的条件下，向废水中依次投入基于碱性木素的氮掺杂生物炭和过硫酸盐进行反应去除有机污染物；所述基于碱性木素的氮掺杂生物炭、过硫酸盐和有机污染物质量比为(0.1～2)：(0.1～2)：(0.01～0.05)；所述搅拌是在21～30℃温度下，以250～400转/min的速度搅拌20min～2h。

14、所述基于碱性木素的氮掺杂生物炭、过硫酸盐和有机污染物质量比为0.05：0.03：0.05，在该选择情况下，对有机污染物的去除效果最佳；所述搅拌的时间为30min～1h，温度为25℃。

15、所述废水的ph依次为3.56、4.58、10.11和11.65，基于碱性木素的氮掺杂生物炭降解水中污染物的效率几乎不受水体中的ph值的影响。

16、所述过硫酸盐为过一硫酸盐。

17、本发明中，基于碱性木素的氮掺杂生物炭在激活过硫酸盐去除有机污染物的去除率达到100％。基于碱性木素的氮掺杂生物炭可以重复实验，三次反应后，对有机污染物的去除率也达到95％以上，且基本不受水中的大部分的无机阴离子的干扰，具体地，在所述污水中添加环境中常见的无机阴离子，再重复上述基于碱性木素的氮掺杂生物炭激活过硫酸盐去除水中有机污染物的步骤，该生物炭活化过硫酸盐去除有机污染物的效率依然达到80％以上。该生物炭具备良好的循环稳定性和抗干扰性，不仅节省了处理废水的经济成本，也可将其应用于高盐度的废水体系内降解有机污染物。

18、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

19、(1)相较于繁琐的机械球磨、多步处理和高温煅烧等方法，本发明通过简单的混合研磨后，采用低温煅烧的方式，一步制备了对过硫酸盐具有高效活化的基于碱性木素的氮掺杂生物炭；该生物炭的制备简单，对设备和热解温度要求低，原材料来源广泛，成分清晰稳定，成本低廉，且避免了对环境二次污染，且得到的生物炭对过硫酸盐活化效率高，材料的循环稳定性好，对水体环境的抗性优异。

20、(2)由实验具体数据可得，本发明基于碱性木素的氮掺杂生物炭在激活过硫酸盐去除水中有机污染物的应用中，对有机污染物的降解效率高达100％，可见在水污染处理领域中有着很好的应用前景。

技术特征：

1.一种基于碱性木素的氮掺杂生物炭的低温热解制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：将碱性木素预处理后的材料与无机盐、尿素一起混匀研磨，真空干燥，经过低温煅烧后，洗涤后鼓风干燥得到基于碱性木素的氮掺杂生物炭。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碱性木素为商业购买的碱性木素。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述预处理为热解处理，具体是以5～15℃/min的升温速率升温至350℃～400℃保留1～4h进行热解处理。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述研磨是在添加了乙醇和水的玛瑙研钵内研磨15～25mi，其中乙醇和水的体积比3：2，乙醇和水的总体积为10～15ml。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碱性木素预处理后的材料、无机盐和尿素的质量比为(3～4)：(20～25)：(6～8)；所述无机盐成分为质量比为1：(1～2)的氯化钾和氯化钠。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述低温煅烧是在流速为40～80ml/min的氩气保护气氛中，以1～10℃/min的升温速率升温至400℃～500℃保留1～4h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述真空干燥是在温度80℃下保持2～12h；所述洗涤是采用超纯水洗涤材料三次，每次使用超纯水20～50ml；所述鼓风干燥的温度设置为60℃～80℃，保持8h～12h。

8.一种由权利要求1～7任一项所述的制备方法制备得到的基于碱性木素的氮掺杂生物炭。

9.根据权利要求8所述的基于碱性木素的氮掺杂生物炭在去除废水中有机污染物的应用，其特征在于：所述应用按照以下操作步骤：在搅拌的条件下，向废水中依次投入基于碱性木素的氮掺杂生物炭和过硫酸盐进行反应去除有机污染物；所述基于碱性木素的氮掺杂生物炭、过硫酸盐和有机污染物质量比为(0.1～2)：(0.1～2)：(0.01～0.05)；所述搅拌是在21～30℃温度下，以250～400转/min的速度搅拌20min～2h。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述基于碱性木素的氮掺杂生物炭、过硫酸盐和有机污染物质量比为0.05：0.03：0.05；所述搅拌的时间为30min～1h，温度为25℃。

技术总结
本发明属于生物炭材料技术领域，公开了一种基于碱性木素的氮掺杂生物炭及其低温热解制备方法和应用。该制备方法包括以下操作步骤：将碱性木素预处理后的材料与无机盐、尿素一起混匀研磨，真空干燥，经过低温煅烧后，洗涤后鼓风干燥得到基于碱性木素的氮掺杂生物炭。本发明生物炭原料为商用碱性木素，其来源广，成分单一，成本较低。采用简单热解法即可得到碱性木素的氮掺杂生物炭，制备过程简单，对温度条件要求低，且得到的生物炭对过硫酸盐有着强活化效果，可快速降解水中有机污染物。

技术研发人员：敖志敏,李文豪,李迪迪
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6