一种荷叶生物炭的制备及其高效降解高温有机废水的应用

1.本发明涉及材料科学与污染物处理领域，具体的涉及一种荷叶生物炭的制备及其高效降解高温有机废水的应用。


背景技术：

2.纺织业是我国的支柱产业，在工业中占有重要的地位。在国民经济和人民生活发展中的关键作用生计，纺织工业是一个严重的污染工业。纺织印染废水具有成分复杂、温度高、浑浊度高、酸碱度变化大、生化降解性差以及色度大等特点，是最难处理的工业废水之一，常见的处理方法有物理处理法(吸附法、膜分离法及萃取法)，化学处理法(化学混凝法、电化学处理法、高级氧化法(aops))，生物处理法，但在处理高温的印染废水现有的方法都有不同程度的降低，急需开发一种在高温下即可处理印染废水的材料和方法，具有重要意义。
3.炭基功能材料有着较高的比较面积、优异的电子传导能力和耐受稳定性，其表面可调控的功能化官能团和sp2杂化碳结构能够有效参与氧化还原反应中。同时，炭基材料具有优异的吸附能力和催化能力，在活化过硫酸盐处理水体有机污染物方面有着巨大的应用潜力。但由于天然生物质制备的炭材料在活化过硫酸盐的能力上具有一定的局限性，研究者为了增加其催化能力，通过不同的方式对生物炭进行改性，例如酸碱有机溶剂改性，在生物炭中掺杂非金属杂原子n、s、b、p等，而且改性处理后会产生大量的废液，容易造成对生态环境的二次污染。因此，寻找一种天然生物质制备出具有高效活化过硫酸盐的炭材料具有重要意义。
4.荷叶也就是莲藕露出水面的那一部分，一般从事莲藕种植的，都是只收它的根、果及嫩茎，也就是藕、莲蓬和藕带，而荷叶则常被当成废物丢掉，不仅污染水体也造成资源浪费，天然荷叶中含有丰富的n元素，将其制成生物炭材料用于活化过硫酸盐以降解环境中的有机污染物具有重要意义，无需对荷叶进行改性，天然荷叶制作的生物炭含有丰富的官能团和较大的比变面积，具高效活化过硫酸盐的能力，尤其在降解高温印染废水具有非常好的效果。


技术实现要素：

5.1.要解决的技术问题
6.本发明的目的在于提供一种荷叶生物炭的制备及其高效降解高温有机废水的应用，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.2.技术方案
8.为解决上述问题，本发明采取如下技术方案：
9.一种荷叶生物炭的制备方法，将清洗干燥后的荷叶粉碎，然后在700-900摄氏度的温度下热解，最终制得未经改性且含有氧官能团并具有n元素自掺杂效果的荷叶生物炭。
10.一种荷叶生物炭的制备方法，包括以下步骤：
11.s1、将干燥后的荷叶粉碎，之后过筛；
12.s2、采用高温管式炉对过筛后的荷叶粉进行热解炭化，热解环境为氮气环境；
13.s3、将热解炭化后的荷叶粉过筛，并对过筛后的炭化荷叶粉进行碱洗、酸洗和水洗，经过干燥最终获得荷叶生物炭。
14.进一步地，所述s2中高温管式炉的升温速率为5℃/min。
15.进一步地，所述s2中荷叶粉在热解温度下的停留时间为120min。
16.进一步地，所述s1中荷叶粉的过筛以及s3中炭化后荷叶粉的过筛均是过100目筛。
17.一种荷叶生物炭的应用，在催化降解高温印染废水中的应用。
18.进一步地，利用权利要求6所述的荷叶生物炭活化过硫酸盐降解高温橙黄ii印染废水。
19.进一步地，所述荷叶生物炭在活化降解反应体系中的添加量为每0.1g/l-0.3g/l。
20.进一步地，所述过硫酸盐在催化降解反应体系中的浓度为2g/l-5g/l。
21.3.有益效果
22.1、本发明的制备方法中，在700-900℃下煅烧获得的荷叶生物炭对于过硫酸盐降解有机污染物都具有很强的催化作用，可以活化过硫酸盐，以使本发明制得的荷叶生物炭可作为活化过硫酸盐降解印染废水的催化剂，另外本发明方法中将荷叶在700-900℃下煅烧获得了不同表面性质的荷叶生物炭，并且在不同温度下获得的荷叶生物炭对过硫酸盐具有不同的活化效果，活化效果依次为，800℃＞900℃＞700℃，800℃下制备的生物炭活化过硫酸盐的能力最强，归因于生物炭具有很高的比表面积、含氧官能团和n元素的自掺杂。
23.2、在本发明中以废弃荷叶作为生物炭制备原料，降低了制备的成本，更有效解决了如何高效利用废弃荷叶的问题，具有良好的环境和经济效益；另外本发明无需对荷叶进行改性，制备方法简单易操作，具有环境友好和可持续发展的技术优势；除此之外，本发明所得的生物炭材料绿色高效廉价，对于处理高温有机废水领域提供了一种新材料，可以有效的降低处理成本。
24.3、本发明制备的荷叶生物炭在处理高温印染废水有特殊的能力，随着水温的提高，由于反应是吸热过程，可以有效的加速荷叶生物炭活化过硫酸盐降解印染废水的能力，针对处理高温印染废水提供了一种新材料，不仅实现废弃荷叶的二次利用，变废为宝，充分利用莲藕的剩余价值，实现了资源的回收利用，又开发了新型深度氧化体系，实现针对高温有机废水的快速氧化降解。
附图说明
25.图1为荷叶llc700、llc800、llc900的扫描电镜图；
26.图2为llc的氮气吸附-脱附等温线图；
27.图3为在25℃下不同体系对ao7的去除效果图；
28.图4为在不同温度llc800/ps对ao7的去除效果图；
29.图5为在不同温度不同体系及不同反应时间对ao7的去除效果图；
30.图6为在25℃不同浓度乙醇对ao7的去除效果影响图；
31.图7为在25℃不同浓度叔丁醇对ao7的去除效果影响图；
32.图8为在25℃不同浓度l-组氨酸对ao7的去除效果影响图；
33.图9为在25℃不同浓度对苯醌对ao7的去除效果影响图。
具体实施方式
34.为使本发明荷叶生物炭活化过硫酸盐在高效降解高温有机废水的特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图表对本发明的具体实施方式做详细的说明。
35.实施例1
36.一种利用荷叶制备荷叶生物炭的方法，包括以下步骤：
37.s1、将荷叶冲洗干净，在80℃下进行鼓风干燥，干燥的荷叶在粉碎机中进行粉碎过100目筛；
38.s2、将粉碎后的荷叶粉放置在瓷方舟中后转移至管式炉中，在氮气条件下以升温速率5℃/min升温至700℃-900℃进行热解炭化，保持120min，降温为自然冷却；
39.s3、将热解后的生物炭再过100目筛，过筛后的生物炭分别用1mmol/l的氢氧化钠和盐水进行碱洗和酸洗，最后用去离子水进行水洗，直至为中性，其次将水洗后的生物炭转移到真空干燥箱中，并在80℃下进行真空干燥，最终制得具有活性的荷叶生物炭。
40.在本实施例中为方便人们对不同温度下制备的荷叶生物炭活性的研究，在制备的s2中，以700℃、800℃、900℃对粉碎后的荷叶粉进行热解炭化，并经过s3制得三种不同的荷叶生物炭，且编号依次为llc-700、llc-800、llc-900，另外荷叶在不同热解温度下的元素含量和孔隙结构如下表所示。
[0041][0042]
由上述表格可得，在800℃热解下制得荷叶碳的比表面积、孔体积最大，除此之外，在800℃热解下制得荷叶碳中的含氧官能团和n元素的含量也相对比较稳定。
[0043]
实施例2
[0044]
将实施例1中编号为llc-700、llc-800、llc-900的荷叶生物炭分别应用在印染的废水中，操作步骤具体为：
[0045]
(1)取100ml浓度为200mg/l ao7至于250ml的锥形瓶子，然后再称取0.4g的过硫酸钠分别至于锥形瓶中充分摇匀溶解，把称取好的实施列1中不同温度下个荷叶生物炭llc-700、llc-800、llc-900质量为0.025g的生物炭，分别至于3个250ml锥形瓶中，锥形瓶置于震荡摇床中，设置震荡速度为170rpm、温度为25℃；
[0046]
(2)间隔5min进行取样，反应持续时间为30min，完成对水体中ao7的降解处理；
[0047]
(3)对照组1ps：仅加入0.4g过硫酸钠(ps)，不添加生物炭材料，其他条件相同；
[0048]
(4)对照组2仅此加入llc-700、llc-800、llc-900为0.025g的生物炭，不添加过硫酸盐(ps)，其他条件相同，探究不同生物炭吸附性能的大小；
[0049]
(5)处理过程中，在不同处理时间条件下分别取样测定ao7的浓度，由此获得不同生物炭材料在不同时间条件下对ao7的去除效果数据，如表1和图2示。
[0050]
表1为在25℃下不同条件下对ao7的去除效果数据
[0051][0052]
由上述表格可得，仅在800℃热解下制得的荷叶碳在活化过硫酸盐后对ao7的去除效果最高，表明了制备的荷叶生物炭在活化过硫酸盐对降解高温有机废水有特殊的能力。
[0053]
实施例3
[0054]
将编号为llc-800的荷叶生物炭在不同温度下活化过硫酸盐降解印染废水的应用，包括以下步骤：
[0055]
(1)取100ml浓度为200mg/l ao7至于250ml的锥形瓶子，然后再称取0.4g的过硫酸钠至于锥形瓶中充分摇匀溶解，称取实施例2中最优温度下个荷叶生物炭llc-800质量为0.025g的生物炭，至于250ml锥形瓶中，锥形瓶置于震荡摇床中，设置震荡速度为170rpm、分别在温度为35℃,45℃55℃65℃运行；
[0056]
(2)反应持续时间为30min，每间隔5min进行取样，完成对水体中ao7的降解处理；
[0057]
(3)对照组1ps：仅加入0.4g过硫酸钠(ps)，不添加生物炭材料，其他条件相同，探究ps在不同温度下对ao7降解效果；
[0058]
(4)对照组2仅此加入llc-800为0.025g的生物炭，不添加过硫酸盐(ps)，其他条件相同，探究在不同温度下吸附性能的大小；
[0059]
(5)处理过程中，在不同处理时间条件下分别取样测定ao7的浓度，由此获得相同生物炭材料在不同温度条件下对ao7的去除效果数据，如表2、图2和图3所示。
[0060]
表2为不同温度下不同条件各体系下对ao7的去除效果
[0061][0062]
由上述表格可得，实验设置了25℃-65℃，5个温度梯度，反应时间从30分钟缩减到10分钟，有且只有在800℃热解下制得的荷叶碳在活化过硫酸盐后，对ao7去除效率提高了66.67％，且去除率几乎不变。
[0063]
实施例4
[0064]
将编号为llc-800的荷叶生物炭活化过硫酸盐降解印染废水分别用乙醇，叔丁醇，l-组氨酸，对苯醌进行猝灭实验探究反应机理，包括以下步骤：
[0065]
(1)配置含有100浓度为200mg/l ao7，其中溶液中含有浓度为1000mmol/l、2000mmol/l、5000mmol/l乙醇；
[0066]
(2)配置含有100浓度为200mg/l ao7，其中溶液中含有浓度为1000mmol/l、2000mmol/l、5000mmol/l叔丁醇；
[0067]
(3)配置含有100浓度为200mg/l ao7，其中溶液中含有浓度2mmol/l、5mmol/l、
10mmol/l l-组氨酸；
[0068]
(4)配置含有100浓度为200mg/l ao7，其中溶液中含有浓度为2mmol/l、5mmol/l、10mmol/l对苯醌；
[0069]
(5)取配置好体积为100ml浓度为200mg/l ao7至于250ml的锥形瓶子，称取0.4g的过硫酸钠分别至于锥形瓶中充分摇匀溶解，然后再称取实施2中荷叶生物炭llc-800为0.025g的生物炭，分别至于250ml锥形瓶中，锥形瓶置于震荡摇床中，设置震荡速度为170rpm、温度为25℃；
[0070]
(6)反应持续时间为30min，每间隔5min进行取样，完成对水体中ao7的降解处理。
[0071]
由实施例2-实施例4可得出以下结论：(1)制备的荷叶生物炭在活化过硫酸盐降解高温有机废水表现出特殊的能力，实验设置了25℃-65℃，5个温度梯度，反应时间从30分钟缩减到10分钟，效率提高了66.67％，去除率几乎不变，分别用乙醇，叔丁醇，l-组氨酸，对苯醌进行了猝灭实验,实验结果表明反应即具有自由基的参与也有非自由基的参与；
[0072]
(2)高温有机废水的处理一直是个难题，本发明的荷叶生物炭在处理高温有机废水有特殊的能力，迎合了“高温”这个问题，随着温度的提高，荷叶生物炭吸附有机物是个吸热反应，大大的提高了吸附能力，其中有机物是吸附和降解同时进行的过程，吸附和降解具有较好的协同效果，好的吸附有利于快速的降解，多数反应在生物炭表面进行即限定的区域进行，大大减少了自由基和非自由基在水中传递的损失，提升荷叶生物炭在活化过硫酸盐降解高温水体中的有机污染物的能力；
[0073]
综上所述，本发明制得的荷叶生物炭具有吸附能力好、催化活性高，且其制备方法具有工艺简单、可操作性强等优点，适合于大规模制备荷叶生物炭，另外，还具有原材料试剂价格低廉、制备工艺简单可行、无害、稳定性强、绿色可持续的特点，同时利用荷叶生物炭活化过硫酸盐降解高温水体中的有机污染物，具有处理效率高、适用范围广的优势，有着较强的实际应用价值。
[0074]
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。