一种一步合成磁性生物炭的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及重金属污染控制领域。具体涉及一种一步合成磁性生物炭的制备方 法。适用于农业废弃物资源化二次利用。
【背景技术】
[0002] 由于矿产开采、冶炼等工业活动中大量含重金属污水排放，水、土环境污染日益严 重，大大威胁人体健康，因此对重金属污染的水体有效修复已成为我国污染防治的关注焦 点。生物炭作为一类新型环境功能材料引起广泛关注，生物炭原料来源广泛，且具有较大的 孔隙度和比表面积，高度芳香化的结构，含有大量酚羟基、羧基和羰基等优点，使生物炭对 重金属具有良好的吸附和稳定作用。但生物炭使用后的回收与利用是生物炭利用领域需要 解决一个难题，而磁选法是目前发现的一种新的回收方法，成功解决了吸附后的生物炭的 回收循环利用问题。但目前磁性生物炭合成的方法是分两步完成的，第一步是将农业废弃 生物质制成普通的生物炭;第二步再将生物炭再合成具有磁性的生物炭，可见其制备过程 复杂费时，成本也是相对较高的。为了降低制备成本，本发明通过将热解炭化与磁化两个过 程合并，在生物质热解炉内进行热解制备，由该种方法合成的新型磁性生物炭不仅降低了 制备成本，而且能有效去除水体中重金属，最终还可以实现分离回收。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对目前存在的上述问题，提供一种一步合成磁性生物炭的制备 方法。为了克服目前分两步合成磁性生物炭的工艺繁琐成本相对较高，采取将热解炭化过 程与磁化过程合并，一步合成磁性生物炭。
[0004] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
[0005] 将生物质原材料经自然条件风干后存放备用，生物质原材料被破碎为长约2~ 4cm，将干燥破碎后的生物质原材料加入到包含Fe 2+和Fe3+的铁盐溶液中，在铁盐溶液中，Fe2 +的摩尔浓度为0.4~0.6mol/L，Fe3+的摩尔浓度为0.04~0.06mol/L，将生物质原材料加入 铁盐溶液后得到混合液，生物质原材料在混合液的重量百分含量为0.03~0.05% ;
[0006] 铁盐溶液由二价铁盐溶液和三价铁盐溶液混合而成，
[0007] 二价铁盐溶液由以下方式获得:将FeSO4溶于去离子水。
[0008] 三价铁盐溶液由以下方式获得:将Fe2 (S〇4) 3-nH20溶于去离子水。
[0009] 将二价铁盐溶液和三价铁盐溶液混合获得铁盐溶液。
[0010] 将混合液在25~30°C下缓慢搅拌0.5~lh，然后用lOmol/L的NaOH溶液调节混合液 的pH值至10~11，调节好pH值的混合液继续搅拌0.5~Ih，之后在25~30°C温度条件下放置 1~2h，直至生物质原料吸收铁盐溶液达到饱和状态。
[0011] 通过真空抽滤器对混合液进行抽滤，滤除处理生物质原材料中的自由水，将抽滤 处理后的生物质原材料在热解炉内热解制炭，热解炉内通入惰性保护气体，热解炉内升温 速率为20~30°C/min、热解温度为400~500°C、热解时间为40~50min，得到磁性生物炭。
[0012] 其制作过程如图1工艺方法所示。其中在⑶2气氛下热解温度为400°C制备的磁性 生物炭标记为MC400;在他气氛下热解温度为400°C制备的磁性生物炭标记为MMOO。
[0013] 所述生物质原材料为水稻秸杆等各类秸杆材料。
[0014] 所述的惰性保护气体是氮气或二氧化碳。
[0015] 所述的一步合成磁性生物炭材料用于去除水体中典型重金属污染物，典型重金属 污染物包括铅、镉、汞、铬、铜、锌等
[0016] 所述的磁磁性生物炭的投加质量与污水体积比例为1:500g/mL至1:2000g/mL。
[0017] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0018] 与现有生物炭制备技术相比，本发明制备工艺简单，将炭化和磁化两个过程合二 为一，实现一步热解合成磁性生物炭材料;同时可以通过改变保护气体(氮气或二氧化碳）， 得到不同的磁性生物炭材料;除此之外，通过热解一步法合成的磁性生物炭，去除水体中典 型的重金属污染物(如重金属镉等)效果显著，而且同样可以实现从水体中分离回收，避免 对环境造成二次污染。因此，热解一步合成磁性生物炭的制备方法，不仅达到了磁性生物炭 的优良效果，而且此制备方法比传统的先热解制备生物炭，然后再调控生物炭赋予磁性的 两步法，工艺大大简化方便。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明方法的工艺流程图；
[0020] 图2(a)为放大2500倍时实施例1制得的磁性生物炭MC400的扫描电镜图，图2(b)为 放大5000倍时实施例2制得的磁性生物炭MN400的扫描电镜图，图2(a'）为放大5000倍时水 稻秸杆在CO 2气氛下采用常规两步法制得的生物炭BC400的扫描电镜图，图2(b'）为放大 5000倍时水稻秸杆在他气氛下采用常规两步法制得的生物炭BMOO的扫描电镜图；
[0021] 图3为本发明实施例1和实施例2制备的磁性生物炭的磁滞回线图；
[0022] 图4为本发明实施例1二氧化碳气氛下磁性生物炭与常规生物炭去除水体中重金 属镉的比较效果图。
[0023] 图5为本发明实施例2氮气气氛下磁性生物炭与常规生物炭去除水体中重金属镉 的比较效果图。
【具体实施方式】
[0024]以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步描述。
[0025] 实施例1:
[0026]将生物质原材料经自然条件风干后存放备用，生物质原材料被破碎为长约2cm，将 干燥破碎后的生物质原材料加入到包含Fe2+和Fe3+的铁盐溶液中，在铁盐溶液中，Fe 2+的摩 尔浓度为〇.4mol/L，Fe3+的摩尔浓度为0.04mol/L，将生物质原材料加入铁盐溶液后得到混 合液，生物质原材料在混合液的重量百分含量为0.03 %。
[0027]铁盐溶液由二价铁盐溶液和三价铁盐溶液混合而成，
[0028]二价铁盐溶液由以下方式获得:将FeSO4溶于去离子水。
[0029] 三价铁盐溶液由以下方式获得:将Fe2 (S〇4) 3_nH20溶于去离子水。
[0030] 将二价铁盐溶液和三价铁盐溶液混合获得铁盐溶液。
[0031 ] 将混合液在25°C下缓慢搅拌0.5h，然后用10m〇l/L的NaOH溶液调节混合液的pH值 至10，调节好pH值的混合液继续搅拌0.5h，之后在25°C温度条件下放置Ih，直至生物质原料 吸收铁盐溶液达到饱和状态。
[0032] 紧接着通过真空抽滤器对混合液进行抽滤，滤除处理后生物质原材料中自由水， 将抽滤处理后的生物质原材料在热解炉内热解制炭，热解炉内通入CO 2为保护气体，热解炉 内升温速率为20°C/min、热解温度为400°C、热解时间为40min，得到本实施实例的磁性生物 炭。
[0033] 在本实施例中选用的原材料为水稻秸杆。
[0034] 在本实施例中制备的磁性生物炭标记为MC400。
[0035] 实施例2:
[0036] 将生物质原材料经自然条件风干后存放备用，生物质原材料被破碎为长约4cm，将 将干燥破碎后的生物质原材料加入到包含Fe 2+和Fe3+的铁盐溶液中，在铁盐溶液中，Fe2+的 摩尔浓度为〇.6mol/L，Fe 3+的摩尔浓度为0.06mol/L，将生物质原材料加入铁盐溶液后得到 混合液，生物质原材料在混合液的重量百分含量为0.05%。
[0037] 铁盐溶液由二价铁盐溶液和三价铁盐溶液混合而成，
[0038]二价铁盐溶液由以下方式获得:将FeSO4溶于去离子水。
[0039] 三价铁盐溶液由以下方式获得:将Fe2 (S〇4) 3_nH20溶于去离子水。
[0040] 将二价铁盐溶液和三价铁盐溶液混合获得铁盐溶液。
[0041 ] 将混合液在30°C下缓慢搅拌Ih，然后用