一种铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂的制备方法及应用

本发明涉及水污染治理和环境功能材料，尤其涉及一种铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂的制备方法及应用。

背景技术：

1、莠去津（atz）作为一种高效、低成本、持效期长的三嗪类选择性除草剂，广泛应用于全球玉米、甘蔗、高粱等早期作物的除草管理。然而，长期大规模使用后，atz通过地表径流和淋溶等途径持续进入水体，造成水体污染并对生态系统及公众健康构成潜在威胁。因此，开发和优化高效的atz去除技术，已成为应对这一紧迫环境挑战的必要措施。

2、目前广泛用于去除水体中atz的处理工艺主要有生物降解法、物理吸附法、高级氧化法。吸附是去除和处理污染物的一个非常有效的技术。基于其操作简单、成本低、效率高、无二次污染等优点，已经得到了极大的关注。近年来，以生物质为原料制备的廉价生物炭已成为去除水中莠去津的一种重要吸附材料。

3、生物炭是利用生物质在限氧或无氧条件下加热形成的富碳固体材料，具有原料来源广泛、低成本、环境友好、可持续性等优势。然而，未改性的原始生物炭存在比表面积较小、极性官能团和活性位点不足等问题，导致其吸附atz时的吸附容量较小。为提升生物炭对atz的吸附容量，通常需要对生物炭进行改性，如物理改性（球磨、蒸汽活化等）、生物改性、化学改性（酸碱活化、杂原子掺杂、金属盐浸渍等）。其中，过渡金属改性备受关注，其不仅可通过造孔增容、调控表面电荷及官能团提升生物炭的物理吸附能力；同时，不饱和金属位点产生的表面络合作用与π-m相互作用还可进一步强化化学吸附，最终提升生物炭吸附性能。然而，传统的金属掺杂方法通常需要多步骤的处理，制备过程较为复杂，且由于金属颗粒容易团聚，导致分散性差，从而限制了吸附性能的提升，其效能仍不理想。因此，开发一种制备工艺简单、经济高效的改性方法，赋予其更优异的吸附性能，以高效吸附水体中atz等除草剂具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂的制备方法及应用，以解决上述现有技术中存在的问题。本发明的制备方法可简化生物炭的改性工艺，在一次高温碳化过程中实现对生物炭的铁掺杂，从而获得高效稳定的吸附剂。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供了一种铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂的制备方法，包括以下步骤：将生物质原料与磷酸溶液混合，浸渍活化后预碳化，得到磷酸改性生物炭；将所述磷酸改性生物炭与铁金属低共熔溶剂混合，高温碳化，得到所述铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂。

4、本发明采用铁金属低共熔溶剂作为改性剂，在一次高温碳化过程中同时实现了生物炭的铁掺杂，无需多步处理。相比传统多步浸渍-碳化方法，该工艺流程大大简化，制备过程高效便捷。此外，铁金属低共熔溶剂具有良好的分散性、能够促进生物炭表面新官能团的形成，并且成本较低。它能有效地负载铁基活性相，进一步修饰生物炭表面，提高生物炭的吸附性能，并显著降低制备成本。

5、进一步地，所述磷酸溶液的浓度为1-50 wt%，所述浸渍活化的时间为2 h。

6、利用磷酸溶液进行活化可刻蚀碳骨架，构建丰富的微孔-介孔结构，增大比表面积与孔容，同时引入p-c、p-o等含磷官能团，从物理与化学层面协同提升生物炭的吸附性能。

7、进一步地，所述预碳化的温度为300-800 ℃，时间为1-4 h。

8、进一步地，所述生物质原料包括杨木屑。

9、进一步地，所述生物质原料和所述酸液的质量比为1:（1.5-2.5）。

10、进一步地，所述铁金属低共熔溶剂的制备方法为：将氯化铁与乙二醇混合，在80-100 ℃下加热搅拌直至获得均匀的溶液，然后静置24 h。

11、进一步地，所述氯化铁与所述乙二醇的摩尔比为1:4。

12、进一步地，所述磷酸改性生物炭与所述铁金属低共熔溶剂的质量比为1:3-4。

13、进一步地，所述高温碳化在惰性气氛下进行，温度为700 ℃，时间为2 h。

14、进一步地，所述高温碳化的升温速率为5 ℃·min-1。

15、本发明还提供了一种铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂的制备方法制备得到的铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂。

16、本发明还提供了一种铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂在吸附莠去津中的应用。

17、与现有技术相比，本发明至少具有如下优势和技术效果：

18、（1）本发明采用铁金属低共熔溶剂作为改性剂，在一次高温碳化过程中同时实现了生物炭的铁掺杂，无需多步处理。相比传统多步浸渍-碳化方法，该工艺流程大大简化，制备过程高效便捷。

19、（2）本发明以废弃杨木等废弃生物质为原料，具有原料易得、成本低廉的优势，实现了废物回收利用，具有环保意义。

20、（3）本发明通过铁金属低共熔溶剂改性得到的改性生物炭吸附剂对莠去津的吸附性能远优于磷酸改性生物炭。吸附剂在较温和条件下（约25 ℃，ph≈7）对莠去津的吸附容量约为154.78 mg·g-1，对atz的吸附效果具有显著提高。

21、（4）本发明的改性生物炭吸附剂在不同水化学条件下均表现出优异的适应性。当水中存在常见阴阳离子（如cl-、no3-、so42-、hco3-、na+、k+、ca2+、mg2+）时，atz的吸附容量仅轻微下降。在初始ph为酸性到碱性的宽泛范围内（约3-11），吸附剂均能有效吸附atz，表现出对ph的良好耐受性。同时，吸附剂在实际水环境中的吸附容量仍然为139.6-153.91 mg·g-1。此外，该吸附剂的稳定性和可重复使用性突出，实验表明，吸附剂连续5次循环使用后atz的吸附容量仍为145.01 mg·g-1，体现出良好的循环使用性能。

1.一种铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将生物质原料与磷酸溶液混合，浸渍活化后预碳化，得到磷酸改性生物炭；将所述磷酸改性生物炭与铁金属低共熔溶剂混合，高温碳化，得到所述铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂。

2.根据权利要求1所述的铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述磷酸溶液的浓度为1-50 wt%，所述浸渍活化的时间为2 h。

3.根据权利要求1所述的铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述预碳化的温度为300-800 ℃，时间为1-4 h。

4.根据权利要求1所述的铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述铁金属低共熔溶剂的制备方法为：将氯化铁与乙二醇混合，在80-100 ℃下加热搅拌直至获得均匀的溶液，然后静置24 h。

5.根据权利要求4所述的铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述氯化铁与所述乙二醇的摩尔比为1:4。

6.根据权利要求1所述的铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述磷酸改性生物炭与所述铁金属低共熔溶剂的质量比为1:（3-4）。

7.根据权利要求1所述的铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述高温碳化在惰性气氛下进行，温度为700 ℃，时间为2 h。

8.根据权利要求1所述的铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述高温碳化的升温速率为5 ℃·min-1。

9.一种权利要求1-8任一项所述的铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂的制备方法制备得到的铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂。

10.一种权利要求9所述的铁金属低共熔溶剂改性生物炭吸附剂在吸附莠去津中的应用。