[发明专利]一种尿液和生物质结合制作活性炭的方法及性能分析

权利要求书

1.一种尿液和生物质结合制作活性炭的方法及性能分析，其特征在于包括以下步骤：

S1、称取5g已粉碎的核桃壳原料放入烧杯、三角锥瓶中，取4份分别加入28mL尿液(核桃壳和尿液的质量比为10:1，标记为WSU10:1)、55mL尿液(核桃壳和尿液的质量比为5:1，标记为WSU5:1)、138mL尿液(核桃壳和尿液的质量比为2:1，标记为WSU2:1)、0ml尿液(纯核桃壳标记为WS)；

S2、将所述S1步骤中配置好的溶液放入四联电动搅拌水浴锅进行搅拌，搅拌时间为48h；

S3、将所述S2步骤中搅拌好的溶液放入台式高速离心机中进行离心，去除大量水分使得烘箱效率升高；

S4、将所述S3步骤中离心好的样品取出放入电热鼓风烘箱中，从室温升到300℃烘干14h，去除剩余水中的大部分水；

S5、将所述S4步骤中制得的样品取出放入管式炉中，通入N2保护，从室温到600℃以10℃每min上升，持续30min；

S6、当管式炉冷却后，从管式炉中取出样品，将制备好的4种不同尿液投料比的样品干燥保存，进行表征和吸附性能分析研究；

S7、活性炭的表征性能分析：(1)利用红外光谱进行表面官能团分析，采用KBr压片法，将样品与KBr粉末按照1:100混合，在玛瑙研钵中研磨至样品完全与KBr混合成为颜色均一的粉末后，将其转移到模具中通过油压机压成近似透明圆薄片，小心取出并放置于机器，通过傅里叶红外光谱仪发射不同的频率的红外光线穿过试验样品，分析不同样品表面官能的变化；

(2)扫描电镜分析；

(3)XRD分析；

S8、活性炭的吸附性能分析：(1)吸附亚甲基蓝后在WSU10:1，WSU5:1，WSU2:1，WS中测定不同时间的吸附量，具体为：

一、称取0.1g的WSU10:1、WSU5:1、WSU2:1、WS样品，分别放入不同烧杯中，并且在杯壁上标上相应字母以示区分；

二、配制50g/ml的亚甲基蓝溶液留以备用；

三、分别取配制好的50g/ml的亚甲基蓝溶液50ml加入不同的烧杯中；

四、将磁子放入装有样品WSU10:1、WSU5:1、WSU2:1、WS的烧杯当中，放置在多头磁力加热搅拌器，打开机器，并且迅速计时；

五、前两次以5min为间隔，测量MB水溶液的吸光度，之后两次以10min为间隔，之后两次以15min为间隔，最后以30min为间隔；

六、记录数据，分析并清洁实验器材；

(2)在吸附平衡时(90min)时，测定4种不同尿液投料比的样品中不同浓度的吸附量，具体为：

一、称取0.1g的WSU10:1、WSU5:1、WSU2:1、WS样品，分别放入不同烧杯中，并且在杯壁上标上相应字母以示区分；

二、分别取配制好的50g/ml的亚甲基蓝溶液，将其稀释为40g/mL、30g/mL、20g/mL、10g/mL，取50ml加入4个烧杯(WSU10:1、WSU5:1、WSU2:1、WS)中；

三、将磁子放入4个烧杯(WSU10:1、WSU5:1、WSU2:1、WS)中，放置在多头磁力加热搅拌器，打开机器，并且迅速计时；

四、在90min时测定不同烧杯的吸光度；

五、记录数据，分析并清洁实验器材；

S8、建立数据模型进行分析：(1)一级动力学分析，用于描述扩散速度为主要因素的吸附过程，方程为：

该方程式中q_e表示为活性炭吸附量(mg/g)；C_e表示为溶液浓度(mg/g)；K₁表示为准一级动力学速率常数(min^-1)；q_t表示为在t时，单位质量吸附剂的吸附量(mg/g)；当吸附过程符合准一级动力学模型时，所拟合的曲线是一条直线；

(2)二级动力学分析，描述化学吸附速率，方程为：

该方程式中q_e表示为活性炭吸附量(mg/g)；K₂表示为准二级动力学速率常数(g/mg·min)；q_t表示为在t时，单位质量吸附剂的吸附量(mg/g)K₂与溶质的初始浓度、pH值、温度和搅拌程度有关；

(3)建立Langmuir等温吸附模型，当吸附剂表面相同，吸附过程为单分子层吸附(当吸附剂表面铺满单层吸附质分子时则吸附量已达到最大值)，吸附位相同，吸附质分子之间无相互作用，每个吸附位只容纳一个吸附质分子，可以预测吸附剂的最大吸附量，方程式为：

其中q_e为吸附量(mg/g)；C_e为溶液浓度(mg/L)；q_m为吸附剂的单分子层饱和吸附量(与吸附位的多少有关)；K_L为Langmuir方程式常数(L/mg)；

(4)建立Freundlich等温吸附模型，该等温吸附模型的方程式由Langmuir方程式进行修正后得出，非单分子层吸附，适合在低浓度液体中的吸附，方程式为：

方程式中q_e为吸附量(mg/g)；C_e为溶液浓度(mg/L)；K_F为吸附常数，表示吸附容量(越高则吸附更易进行)；1/n表示吸附强度。

2.根据权利要求1所述的一种尿液和生物质结合制作活性炭的方法及性能分析，其特征在于：所述S7步骤里的扫描电镜分析中，由纯核桃壳在相同条件下制备的生物质炭表面孔隙结构较少呈现出褶皱形，且孔隙结构分布不均匀，比表面积较小；样品WSU10：1相比较于核桃壳原料生物质活性炭，表面具有更多的孔隙结构，且大小均一、分布均匀、形状为统一的圆孔型，其拥有的较丰富孔隙结构归因于尿液作为活化剂，在热解过程中，同时发生碳化和活化发应，尿素通过热缩聚形成高分子物质氮化碳，在进一步升高热解温度时，由于氮化碳的热不稳定性能，分解释放形成小分子气体，作为活化气体有利于核桃壳基生物质炭孔隙结构的形成。