公布日：2023.09.26
申請日：2023.06.26
分類號：B01J20/20(2006.01)I;B01J20/30(2006.01)I;C02F1/28(2023.01)I;C02F1/70(2023.01)I;C02F101/20(2006.01)N
摘要
本發明涉及一種共熱解生物炭負載納米零價鐵復合材料、制備方法及應用，其中，所所述復合材料為負載納米零價鐵顆粒的共熱解生物炭，其主要由氯化鋅顆粒、污水處理廠脫水干污泥和秀珍菇菌渣為原材料制備而成。其有益效果是，本發明的制備過程簡單，其原材料料來源廣泛，通過該復合材料對六價鉻產生了吸附、還原、絡合、共沉淀作用，將其固定在本發明的復合材料表面，實現水體中六價鉻的高效處理，同時使廢棄物得以充分利用，實現了“以廢治廢”的目的。
權利要求書
1.一種共熱解生物炭負載納米零價鐵復合材料的應用，其特征在于：所述共熱解生物炭負載納米零價鐵復合材料的制備方法為：將氯化鋅顆粒、污水處理廠脫水干污泥和秀珍菇菌渣混合并熱解制備成共熱解生物炭，并將共熱解生物炭制備成共熱解生物炭負載納米零價鐵懸濁液，再將共熱解生物炭負載納米零價鐵懸濁液制備成負載納米零價鐵顆粒的共熱解生物炭；所述熱解時間為45min、升溫速率為10℃/min、熱解終溫為500-700℃；所述應用為：用于處理含Cr(VI)污染水體。
2.如權利要求1所述的應用，其特征在于：所述方法包括如下步驟：（1）在氮氣保護下，將氯化鋅顆粒同干燥并破碎后的污泥以及干燥并破碎后的秀珍菇菌渣混合并熱解，熱解產物經清洗、烘干，獲得共熱解生物炭；（2）將（1）步驟中的所述共熱解生物炭與硫酸亞鐵溶液混合，并加入乙醇水溶液作為分散劑，然后在通氮氣條件下，勻速緩慢滴加硼氫化鈉溶液，獲得共熱解生物炭負載納米零價鐵懸濁液；（3）將（2）步驟中的所述共熱解生物炭負載納米零價鐵懸濁液進行固液分離，并清洗固體顆粒，干燥后獲得負載納米零價鐵顆粒的共熱解生物炭。
3.如權利要求2所述的應用，其特征在于：（1）步驟中：所述的氮氣保護為：將氯化鋅顆粒、干燥并破碎后的污泥以及干燥并破碎后的秀珍菇菌渣混合形成混合物，并將該混合物置于管式熱解爐中待熱解，熱解前先向管式熱解爐中通入氮氣，通入氮氣的時間為：確保熱解前每添加15g混合物，通氮氣時間不少于10min；之后進行熱解，并在熱解過程中持續通入氮氣；所述氮氣濃度為99.99%，氮氣流量范圍為10-20LPM；所述污泥以及秀珍菇菌渣破碎處理后通過100目篩；所述氯化鋅顆粒、污泥、秀珍菇菌渣質量比為10-15:4:1；所述清洗為：熱解產物經1mol/LHCL溶液浸泡5-10min以去除表面雜質，后用去離子水沖洗至材料呈pH中性；所述熱解產物經清洗、烘干后，再進行研磨處理至通過100目篩。
4.如權利要求2所述的應用，其特征在于：（2）步驟中：所述硫酸亞鐵溶液濃度為0.1mol/L；所述共熱解生物炭與硫酸亞鐵溶液混合為：每3g共熱解生物炭置于0.1M，100mL的硫酸亞鐵溶液中混合，混合后加入乙醇水溶液作為分散劑，乙醇水溶液中V去離子水:V乙醇=1:1；其中確保硫酸亞鐵溶液與乙醇水溶液的體積比為2：1。
5.如權利要求2所述的應用，其特征在于：（2）步驟中：所述氮氣流量范圍為10-20LPM，氮氣濃度為99.99%；所述硼氫化鈉溶液濃度為0.25mol/L，滴加速率為2滴/秒，每滴0.05ml；硼氫化鈉溶液投加量為硫酸亞鐵溶液施加量的1.5倍。
6.如權利要求2所述的應用，其特征在于：（3）步驟中，固液分離采用高速離心法，離心速度為1000rpm；所述清洗采用無水乙醇沖洗材料3-5次，單次沖洗時間為5-10秒，以洗去材料表面雜質；所述干燥采用真空干燥法，其中干燥溫度為60℃、干燥時間為24h。
發明內容
(一)要解決的技術問題
鑒于現有技術的上述缺點、不足，本發明提供一種共熱解生物炭負載納米零價鐵復合材料、制備方法及應用，其解決了現有技術存在的納米零價鐵顆粒在自然條件下極易氧化，穩定性較差，進而大大影響其吸附能力與還原能力的技術問題。
(二)技術方案
為了達到上述目的，本發明采用的主要技術方案包括：
第一方面，本發明實施例提供一種共熱解生物炭負載納米零價鐵復合材料，所述復合材料為負載納米零價鐵顆粒的共熱解生物炭，其主要由氯化鋅顆粒、污水處理廠脫水干污泥和秀珍菇菌渣為原材料制備而成。
第二方面，本發明還提供一種共熱解生物炭負載納米零價鐵復合材料的制備方法，用于制備上述的共熱解生物炭負載納米零價鐵復合材料。
可選的，所述方法將氯化鋅顆粒、污水處理廠脫水干污泥和秀珍菇菌渣混合并熱解制備成共熱解生物炭，并將共熱解生物炭制備成共熱解生物炭負載納米零價鐵懸濁液，再將共熱解生物炭負載納米零價鐵懸濁液制備成負載納米零價鐵顆粒的共熱解生物炭。
可選的，所述方法包括如下步驟：
(1)在氮氣保護下，將氯化鋅顆粒同干燥并破碎后的污泥以及干燥并破碎后的秀珍菇菌渣混合并熱解，熱解產物經清洗、烘干，獲得共熱解生物炭；
(2)將(1)步驟中的所述共熱解生物炭與硫酸亞鐵溶液混合，并加入乙醇水溶液作為分散劑，然后在通氮氣條件下，勻速緩慢滴加硼氫化鈉溶液，獲得共熱解生物炭負載納米零價鐵懸濁液；
(3)將(2)步驟中的所述共熱解生物炭負載納米零價鐵懸濁液進行固液分離，并清洗固體顆粒，干燥后獲得所述負載納米零價鐵顆粒的共熱解生物炭。
可選的，(1)步驟中：
所述的氮氣保護為：將氯化鋅顆粒、干燥并破碎后的污泥以及干燥并破碎后的秀珍菇菌渣混合形成混合物，并將該混合物置于管式熱解爐中待熱解，熱解前先向管式熱解爐中通入氮氣，通入氮氣的時間為：確保熱解前每添加15g混合物，通氮氣時間不少于10min；之后進行熱解，并在熱解過程中持續通入氮氣；所述氮氣濃度為99.99％，氮氣流量范圍為10-20LPM；
所述污泥以及秀珍菇菌渣破碎處理后通過100目篩；
所述氯化鋅顆粒、污泥、秀珍菇菌渣質量比為10-15:4:1；
所述熱解時間為45min、升溫速率為10℃/min、熱解終溫為500-700℃；
所述清洗為：熱解產物經1mol/LHCL溶液浸泡5-10min以去除表面雜質，后用去離子水沖洗至材料呈pH中性。
所述熱解產物經清洗、烘干后，再進行研磨處理至通過100目篩。
可選的，(2)步驟中：
所述硫酸亞鐵溶液濃度為0.1mol/L；
所述共熱解生物炭與硫酸亞鐵溶液混合為：每3g共熱解生物炭置于0.1M，100mL的硫酸亞鐵溶液中混合，混合后加入乙醇水溶液作為分散劑，乙醇水溶液中V去離子水:V乙醇＝1:1；其中確保硫酸亞鐵溶液與乙醇水溶液的體積比為2：1。
可選的，(2)步驟中：
所述氮氣流量范圍為10-20LPM，氮氣濃度為99.99％；
所述硼氫化鈉溶液濃度為0.25mol/L，滴加速率為2滴/秒，每滴0.05ml/；硼氫化鈉投加量為硫酸亞鐵溶液施加量的1.5倍。
可選的，(3)步驟中，固液分離采用高速離心法，離心速度為1000rmp/min；所述清洗采用無水乙醇沖洗材料3-5次，單次重新時間為5-10秒，以洗去材料表面雜質；所述干燥采用真空干燥法，其中干燥溫度為60℃、干燥時間為24h。
第三方面，本發明還提供一種如權利要求1所述的共熱解生物炭負載納米零價鐵復合材料的應用。
可選的，用于處理含Cr(VI)污染水體。
(三)有益效果
本發明的有益效果是：本發明的共熱解生物炭負載納米零價鐵復合材料、制備方法及應用，其采用氯化鋅顆粒、污水處理廠脫水干污泥和秀珍菇菌渣為原材料制備共熱解生物炭來負載納米零價鐵顆粒，且在制備的過程中直接將氯化鋅顆粒、污水處理廠脫水干污泥和秀珍菇菌渣混合并共同熱解進而制備成共熱解生物炭，其原材料為污水處理廠脫水干污泥和秀珍菇菌渣，屬于常見的固體廢棄物，且來源廣泛，成本低廉。同時，本發明的制備共熱解生物炭過程相較于先用氯化鋅顆粒對干污泥和秀珍菇菌渣活化再對干污泥和秀珍菇菌渣熱解的方式，其過程簡潔高效，且零價鐵負載后穩定性強，本發明制備的共熱解生物炭比表面積可達973.64m2/g，平均孔徑為9.47nm(測試儀器：全自動比表面及孔隙度分析儀；儀器型號：麥克ASAP2460；測試吸附氣體：N2；脫氣溫度：200℃；脫氣時間：7h)。
本發明中的負載納米零價鐵顆粒的共熱解生物炭結合了生物炭與納米零價鐵兩者的優點，生物炭比表面積較高，通過將納米零價鐵顆粒分散負載在共熱解生物炭表面，有效緩解了納米零價鐵顆粒間的團聚效應，其應用在含Cr(VI)污染水體中，顯著提高了納米零價鐵顆粒的反應活性和穩定性，從而提高了對Cr(Ⅵ)的吸附、還原、絡合能力。該復合材料無二次污染風險，體現出“以廢治廢”的理念，在環境修復材料技術領域具有十分廣闊的應用前景。
（發明人：范廣建;陳熙;李文騫;張蕊;李書鵬;李海波;徐新陽）
