一种用于重金属废水处理的生物炭复合材料及其制备方法与应用

本发明涉及一种用于重金属废水处理的生物炭复合材料及其制备方法与应用，属于水处理。

背景技术：

1、水体中含有的重金属，是环境中常见的无机污染物，它们往往无法被自然界中的微生物降解，还很有可能通过食物链以及多种生态循环在环境中传递、转移，最终给人体带来持续而又不可逆的危害。在水体环境中的重金属因富集效应极难被降解，且会同环境中的其他化学物质结合形成毒性更大的无机或有机重金属污染物。

2、目前来说，处理重金属废水的主要方法有化学沉淀法、溶剂萃取法、电渗析法、膜分离法、生物处理法、离子交换法、吸附法、反渗透法等。传统方法及新兴的膜分离等一些技术由于其各自的一些缺点和成本问题都在一定程度上限制了其在重金属废水处理领域的广泛应用。近年来，吸附法因为其低成本、高效率、易于操作、处理效果好、吸附剂可再生使用等优点，被认为是一种可循环利用的生态友好和可持续的处理技术，且应用前景广阔。

3、生物炭是生物有机材料(生物质)在缺氧或绝氧环境中，经高温热裂解后生成的固态产物。生物炭成本低廉，具有对水中污染物吸附容量大的优点。但仍具有以下缺点：吸附能力有限、非磁性生物炭固液分离难导致回收再生应用潜力低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于重金属废水处理的生物炭复合材料及其制备方法与应用，解决现有技术中存在的吸附能力有限和难以回收的问题。

2、为实现以上目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种用于重金属废水处理的生物炭复合材料的制备方法，包括：

4、使用乙二胺对生物炭进行改性，得到乙二胺改性生物炭；

5、将所述乙二胺改性生物炭进行酸化和磁化得到磁改性生物炭；

6、将纳米二氧化锰负载至所述磁改性生物炭上，得到生物炭复合材料。

7、结合第一方面，进一步的，所述生物炭通过以下方法制备得到：

8、选取毛竹，将毛竹粉碎；

9、将粉碎后的毛竹在380-420℃缺氧的条件下加热使其碳化完全，得到毛竹制成的生物炭。

10、结合第一方面，进一步的，所述使用乙二胺对所述生物炭进行改性，得到乙二胺改性生物炭，包括：

11、将10～30质量份的生物炭放入环氧氯乙烷和n，n-二甲基甲酰胺的混合溶液中，搅拌加热50-70min；

12、加入899～2697质量份的乙二胺后，继续搅拌加热50-70min；

13、加入728～1092质量份的三乙胺溶液后，继续搅拌加热110-130min；

14、将合成物纯化得到乙二胺改性生物炭。

15、结合第一方面，进一步的，所述三乙胺溶液的质量浓度为99％；

16、所述纯化包括：用无水乙醇清洗合成物表面未反应的有机物，用真空抽滤机抽滤并放入干燥箱干燥。

17、结合第一方面，进一步的，所述将所述乙二胺改性生物炭进行酸化和磁化得到磁改性生物炭，包括：

18、将1.5-2.5mol/l的硝酸溶液和乙二胺改性生物炭按照液固比(9～11)：1的配比混合于容器中，容器口放置回流装置，在100-120℃下持续浸泡1.5～2.5h，浸泡过程中实时监测ph值，使上清液呈中性，冷却后清洗，随后烘干溶液得到酸改性生物炭；

19、用物质的量比为1.5～2.5：1的三价铁的可溶性盐或其水合物和二价铁的可溶性盐或其水合物制得fe3o4胶体溶液，将1000-2000质量份的fe3o4胶体溶液和360～400质量份的酸改性生物炭一同加入到氨水溶液中，搅拌25～35min后，进行固液分离并清洗，然后在容器中使生物炭浓度保持在23.0-23.4mg/l，按照体积比1：(9～11)加入正丙醇溶液后用超声波处理15～25min，然后向容器中加入聚乙二醇使生物炭浓度保持在26.6-27.0mg/l，放入搅拌机中持续搅拌23-25h，搅拌完成后用磁铁回收，超纯水洗涤后烘干，得到磁改性生物炭；

20、所述三价铁的可溶性盐或其水合物优选为fecl3·6h2o，所述二价铁的可溶性盐或其水合物优选为fecl2·4h2o。

21、结合第一方面，进一步的，所述纳米二氧化锰通过以下方法制备得到：

22、将1～1.5g的kmno4加入70～100ml的质量分数为70％的稀h2so4溶液中，所述稀h2so4溶液中加入了(nh4)2s2o8，(nh4)2s2o8在稀h2so4溶液中的浓度为7.3～7.8mmol/l，超声搅拌至溶解，得到纳米二氧化锰溶液。

23、结合第一方面，进一步的，所述将纳米二氧化锰负载至所述磁改性生物炭上，得到生物炭复合材料，包括：

24、将纳米二氧化锰溶液和磁改性生物炭加入容器中，密封，于烘箱中170～190℃水热反应23～25h，自然冷却至室温，将上层清液除去，所得沉淀提纯后即得到生物炭复合材料。

25、结合第一方面，进一步的，所述提纯包括：用去离子水离心洗涤至中性，于55～65℃干燥23～25h。

26、第二方面，本发明还提供了一种用于重金属废水处理的生物炭复合材料，根据第一方面任一项所述方法制得。

27、第三方面，本发明还提供了一种第二方面所述用于重金属废水处理的生物炭复合材料的应用，将所述生物炭复合材料用于吸附废水中的重金属离子。

28、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

29、本发明提供的一种用于重金属废水处理的生物炭复合材料及其制备方法与应用，利用乙二胺和二氧化锰对现有的生物炭进行改性，制备生物炭复合材料，乙二胺能够通过扩大生物炭孔隙以及在生物炭表面添加官能团的方式提高生物炭的吸附能力，选取二氧化锰作为复合材料，根据二氧化锰的物理特性的分析，可得出二氧化锰在吸附性能上有着良好的效果，结合二氧化锰与生物炭的特性，增强生物炭对水体中重金属离子的吸附能力，磁改性后，生物炭的比表面积明显增大，微孔数量较少，与重金属离子结合的时候可以比较快的到达吸附平衡，而且磁改性后，能够使用磁铁进行生物炭的回收，解决了难以回收的问题。

技术特征：

1.一种用于重金属废水处理的生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的用于重金属废水处理的生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述生物炭通过以下方法制备得到：

3.根据权利要求1所述的用于重金属废水处理的生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述使用乙二胺对所述生物炭进行改性，得到乙二胺改性生物炭，包括：

4.根据权利要求3所述的用于重金属废水处理的生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述三乙胺溶液的质量浓度为99％；

5.根据权利要求1所述的用于重金属废水处理的生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述将所述乙二胺改性生物炭进行酸化和磁化得到磁改性生物炭，包括：

6.根据权利要求1所述的用于重金属废水处理的生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述纳米二氧化锰通过以下方法制备得到：

7.根据权利要求1所述的用于重金属废水处理的生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述将纳米二氧化锰负载至所述磁改性生物炭上，得到生物炭复合材料，包括：

8.根据权利要求7所述的用于重金属废水处理的生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述提纯包括：用去离子水离心洗涤至中性，于55～65℃干燥23～25h。

9.一种用于重金属废水处理的生物炭复合材料，其特征在于，根据权利要求1-8任一项所述方法制得。

10.一种权利要求9所述用于重金属废水处理的生物炭复合材料的应用，其特征在于，将所述生物炭复合材料用于吸附废水中的重金属离子。

技术总结
本发明公开了一种用于重金属废水处理的生物炭复合材料及其制备方法与应用，方法包括使用乙二胺对生物炭进行改性，得到乙二胺改性生物炭；将所述乙二胺改性生物炭进行酸化和磁化得到磁改性生物炭；将纳米二氧化锰负载至所述磁改性生物炭上，得到生物炭复合材料；本发明提高了吸附能力和回收应用潜力。

技术研发人员：陈德强,潘周志,简艳宏,陈义群,廖智朝
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16