[发明专利]一种壳聚糖/酸酐改性生物炭复合材料及其制备方法与用途

说明书

技术领域

本发明属于环境功能材料和水处理新技术领域，具体涉及一种壳聚糖和均苯四甲酸酐修饰的生物炭复合材料及其制备方法与用途。

背景技术

重金属向水体的排放对环境生态系统的危害巨大。随着工业的迅速发展，大量的重金属排放到水体中，这些重金属污染物不可降解、并对人类和动物具有毒性作用。因此探索一种经济高效的用于重金属处理的技术非常必要。一般的重金属废水处理方法有吸附、化学沉淀、离子交换、反渗透等。其中，吸附是一种操作简单，成本低，且处理污染物较为高效的技术，在实际的污染废水治理中已有应用。生物炭作为吸附法中一种新兴的吸附材料，具有原材料丰富、价格低廉和固碳等优点，但生物炭对染料的吸附效率有限。因此，研究开发新型的以生物炭为基质、低价和高效的复合材料，已经成为生物炭用于水处理的发展和应用中的一个关键性科学技术问题。

生物炭是生物质在无氧或缺氧的条件下热解产生的含碳量较高的固体材料，其原材料主要来自于农业废弃物、固体废物、污泥等。同时，生物炭具有比较好的孔隙结构和丰富的表面官能团。因此，生物炭具有去除废水中污染物的潜力。然而，生物炭的性质受其原材料和热解条件的影响很大，未经改性或者功能化修饰的生物炭具有有限的吸附位点，限制了其在实际废水处理中的应用。壳聚糖对许多物质具有螯合吸附作用，其分子中的氨基和与氨基相临的羟基与许多金属离子能形成稳定的螯合物。均苯四甲酸酐可直接与壳聚糖表面的氨基反应生成酰胺，从而使得酸酐接枝在壳聚糖表面。修饰在壳聚糖表面的均苯四甲酸酐的酸酐键可水解成羧酸，它对废水中的重金属具有较好的去除能力。通过适当的方法将壳聚糖和均苯四甲酸酐组装在生物炭的表面，制成复合材料，能够丰富其表面吸附位点，提高生物炭对重金属的去除能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，开发一种低价、高效的可用于吸附处理重金属污染物的壳聚糖和均苯四甲酸酐修饰的生物炭复合材料。

本发明提出的一种壳聚糖和均苯四甲酸酐修饰的生物炭复合材料的制备方法，是将壳聚糖和均苯四甲酸酐对生物炭进行功能化处理，这样制备的吸附剂可通过壳聚糖和均苯四甲酸酐组装在生物炭表面，增加生物炭表面的吸附位点数量，具体步骤如下：

(1)将生物质原材料用去离子水清洗，然后在80℃下烘干24小时，将烘干后的生物质放入管式炉中热解烧制，热解过程中保持管式炉的石英管密封，同时向管内以400mL/min的流速通入N₂，以此来保持整个热解过程的厌氧条件，管式炉的升温程序设定为：从室温以5℃/min的升温速率加热上升到450℃，并在此温度条件下持续热解2小时，然后开始自然降温过程，在降温过程中保持N₂以相同流速持续通入，冷却到室温后取出即得到原始生物炭，将生物炭过1mm筛得到生物炭粉末。

(2)1.0g壳聚糖溶解至50mL 2％的乙醇中，再将步骤(1)得到的生物炭粉末(1.0g)加入到该溶液中，混合悬液以150转/分钟的速度在恒温水浴振荡箱中(50℃)振荡30分钟，随后将悬液滴加至300mL NaOH溶液(1％)，所得沉淀在NaOH溶液中静置18小时。用超纯水将沉淀洗至中性，于60℃下烘干24小时，过1mm筛得到壳聚糖生物炭粉末。

(3)1.5g均苯四甲酸酐溶于50mL二甲基甲酰胺，将步骤(2)中得到的壳聚糖生物炭粉末(0.5g)加入到溶液中，混合悬液以150转/分钟的速度在恒温水浴振荡箱中(50℃)振荡4.5小时，冷却至室温后依次用二甲基甲酰胺、超纯水、NaOH溶液和超纯水清洗，然后在60℃下烘干24小时的到壳聚糖/酸酐改性生物炭。

上述制备方法中，生物炭的原材料选用农业废弃物、固体废物、污泥等生物质。

上述制备方法中，壳聚糖的脱乙酰度为95％。

上述制备方法中，壳聚糖生物炭粉末必须在烘箱中60℃下烘干24小时，以保证与均苯四甲酸酐溶液混合之前的干燥状态。

上述制备方法中，管式炉的升温速率为5℃/min，最高温度为450℃，并在此温度条件下持续热解2小时。

利用本发明方法制备得到的壳聚糖/酸酐改性生物炭复合材料去除废水中的重金属。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.生物炭的原料来源广泛，且价格低廉，主要原料为农业废弃物、固体废物、污泥等生物质；使用的化学药品壳聚糖和均苯四甲酸酐等是常用的化工产品。

2.本发明的壳聚糖/酸酐改性生物炭复合材料的制备工艺及操作简单，制备快速，生产周期短，不需要特殊的化工设备，易于实现工业化生产。