[发明专利]一种利用废弃生物质制备氮掺杂多孔生物炭的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种利用废弃生物质制备氮掺杂多孔生物炭的方法及其应用。以来源广泛的山竹皮、柠檬皮、西瓜皮、香蕉皮等生物质为原料，通过模板法和水热法制备出的材料能高效脱除水中重金属。包括以下步骤：1）将果皮洗净烘干粉碎，依次加入溶有氮源的水溶液和溶有模板剂的乙醇溶液，超声后搅拌；2）将溶液转移至水热反应釜中加热至140℃保持6 h，取出后冷却并真空干燥；3）将固体研磨成粉，再在氮气氛围下以2~10℃/min的升温速率升温至400~700℃保持2 h，随后冷却至室温；4）将样品用乙醇和水分别清洗3次，真空干燥，得到高吸附性能的氮掺杂生物炭材料。该材料制备周期短，过程简便，用于吸附水中的铅(Pb[II])、铜(Cu[II])、铬(Cr[VI])、镉(Cd[II])等重金属，吸附效率高，可重复使用。

技术领域

本发明属于环境材料技术领域和生物质资源化领域，具体涉及一种利用废弃生物质制备氮掺杂多孔生物炭的方法及其在吸附重金属方面的应用。

背景技术

作为工业大国，我国每年的工业废水排放量达到200亿吨以上，其中很多行的废水中都含有重金属离子，如电镀废水中含有大量的Cd(II)、Pb(II)等重金属；制革工业中，鞣制阶段的废水中含有大量的Cr(VI)；酸性矿山废水中含有较多的重金属Cu(II)。这些重金属废水若不加处理，会危害水中生态，并依靠地球的生态循环进入土壤、大气，最终危害人类的健康。重金属对人体危害极大，它几乎不可降解，可以在体内富集，极微量的重金属就能对动植物和人体造成无法逆转的伤害。目前国内外的重金属废水处理方法主要包括化学沉淀法、螯合沉淀(絮凝)法、离子交换法和电化学法等，每种方法都存在一定的缺点。化学沉淀法和螯合沉淀法需要投加过量的药剂，虽去除了重金属，但会带来新的污染问题；离子交换法需要昂贵的离子交换柱，而电化学法需要的运行成本较高。因此，研究废水中的重金属处理方法具有重要意义。

生物质资源十分庞大，常见的包括秸秆、果皮等农林废弃物，也有动物粪便、沉积物和污泥等等。这类资源产量大，但长久以来，人类都未给予足够的重视。事实上，现阶段大多数生物质资源都没有被有效利用，或是采取直接焚烧这种较为低效的利用手段。我国农林生产的植物类废弃物的产量高达20亿t，但利用效率不足30%。大多数农林废弃生物质资源含有大量的纤维素、半纤维素和木质素，在高温热解的条件下能产生孔道结构，有吸附水体重金属的潜力。究其关键的制备技术，存在热解造孔速度过快且不均匀的劣势，直接高温热解得到的材料不能很有效的调控其结构，进而影响了对重金属的吸附效果。所以，做到有效调控制备多孔炭材料，使生物质高效资源化仍是一个现实存在的挑战。

发明内容

鉴于以上重金属污染和生物质固废高效资源化问题，本发明针对水体中的铅、铜、铬、镉等重金属，旨在提供一种生物质固废高效资源化的利用方法，同时解决重金属污染问题。

本发明的主要目的在于提供一种利用废弃生物质制备氮掺杂多孔生物炭的方法及其应用。本发明以模板剂作为结构引导，经过水热热解处理形成多孔的微观结构，极大地提高材料的比表面积，赋予其吸附重金属离子的能力。氮掺杂后材料表面产生的含氮官能团与重金属离子产生静电作用和配位作用，极大地增强了材料的吸附能力

本发明首次提出模板法和水热热解法结合制备氮掺杂的多孔生物质炭材料，并且能够高效去除水体中的多种重金属离子。所述方法成本低廉，操作简便，制备出的材料吸附效果优越，具有较强的工业化应用前景，具体包括以下步骤：

（1）先将果皮（如山竹皮、柠檬皮、西瓜皮、榴莲壳、荔枝核和甘蔗渣）烘干，再用破碎机和球磨机研磨成粉末后称取1 g粉末，依次加入10 mL溶有氮源（尿素或乙二胺，0.2~0.5 g）的水溶液，5 mL溶有模板剂（P123或CTAB，0.02~0.05 g）的乙醇溶液，超声1 h后搅拌12 h。

（2）将步骤（1）的溶液转移至水热反应釜中进行水热处理140℃并保持6 h。取出后冷却至室温并将混合物在真空干燥箱内干燥。