一种生物炭及其制备方法

1.本发明涉及生物质的处理方法技术领域，具体而言，涉及一种生物炭及其制备方法。


背景技术：

2.亚甲基蓝是一种被广泛应用于印刷等行业的吩噻嗪型阳离子染料；随着印染工业的发展，产生的含有亚甲基蓝的废水量急剧增加。含有亚甲基蓝的废水在进入自然水体后，会对水生生物的生长产生不利的影响。
3.目前，常用的废水处理方法有生物法、电化学法和吸附法；由于吸附法处理工艺简单、运行成本低、占地面积小，是进行废水处理的有效方法。
4.传统的吸附法多应用生物炭来作为吸附剂，但现有的生物炭制备成本较高，导致吸附法进行废水处理的成本较高。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是现有的生物炭制备成本较高。
6.为解决上述问题，本发明提供一种生物炭的制备方法，包括如下步骤：
7.s1：将毛豆荚粉碎，得到毛豆荚粉末；
8.s2：通过氢氧化钾溶液对所述毛豆荚粉末进行化学活化，得到活化后的溶液；
9.s3：于40℃～50℃条件下向所述活化后的溶液中加入氧化铝和月桂酸，得到稠状物；
10.s4：将所述稠状物于105℃条件下烘干，得到固体；
11.s5：将所述固体于500℃～700℃进行炭化，得到炭化物；
12.s6：对所述炭化物进行冲洗后，于40℃～50℃条件下真空脱水，研磨成粉末状，得到所述生物炭。
13.可选地，步骤s1包括：对毛豆荚进行清洗后，烘干，粉碎至粉末状，得到所述毛豆荚粉末。
14.可选地，所述毛豆荚粉末的粒径范围为40目～80目。
15.可选地，步骤s2包括：将所述毛豆荚粉末与所述氢氧化钾溶液置于超声波清洗器中振动30min后，在恒温振荡器中于40℃～50℃振动10h～12h。
16.可选地，步骤s5包括：将所述固体置于管式炉中抽成真空，保持气压稳定在-0.1～0mpa，在气压达到0mpa临界点时，排出炭化气体至常压，以20℃/min的升温速率升至500℃～700℃，并热解60min～120min，得到所述炭化物。
17.可选地，步骤s6中对所述炭化物进行冲洗包括：将所述炭化物冷却至室温后，用0.1mol/l的盐酸煮沸，浸泡除去灰分，再用超纯水冲洗至中性。
18.可选地，步骤s2中所述毛豆荚粉末与所述氢氧化钾溶液的质量比为1:1.5。
19.可选地，所述氧化铝的用量是所述氢氧化钾溶液的质量的1％～5％。
20.可选地，所述月桂酸的用量是所述氢氧化钾溶液质量的5％～10％。
21.本发明的另一目的在于提供一种生物炭，通过如上所述的生物炭的制备方法进行制备。
22.与现有技术相比，本发明提供的生物炭的制备方法具有如下优势：
23.本发明提供的生物炭的制备方法，工艺简便，以毛豆荚这种价格低廉、来源丰富的农业废弃物为生物材料来制备生物炭，在能够获得具有经济效益增值的生物炭产品，降低生物炭生产成本的同时，还为现有技术提供了一种以绿色节能环保的方式处理农业废弃物的新途径。
具体实施方式
24.下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.为解决现有的生物炭制备成本较高的问题，本发明提供一种生物炭的制备方法，包括如下步骤：
26.s1：将毛豆荚粉碎，得到毛豆荚粉末；
27.s2：通过氢氧化钾溶液对毛豆荚粉末进行化学活化，得到活化后的溶液；本发明优选氢氧化钾溶液的浓度为6mol/l；
28.s3：于40℃～50℃条件下向活化后的溶液中加入氧化铝和月桂酸，得到稠状物；
29.s4：将稠状物于105℃条件下烘干，得到固体；
30.s5：将固体于500℃～700℃进行炭化，得到炭化物；
31.s6：对炭化物进行冲洗后，于40℃～50℃条件下真空脱水，研磨成粉末状，得到生物炭。
32.毛豆荚在农业、生活中一般作为固体废弃物弃置，但其纤维素含量高，若回收用做生物材料制备生物炭是实现废物资源化的有效手段。利用毛豆荚制备吸附剂反映了农业废弃物的剩余价值，避免了资源浪费，对发展循环经济和控制废弃物污染具有重要意义。
33.本发明提供的生物炭的制备方法，工艺简便，以毛豆荚这种价格低廉、来源丰富的农业废弃物为生物材料来制备生物炭，在能够获得具有经济效益增值的生物炭产品，降低生物炭生产成本的同时，还为现有技术提供了一种以绿色节能环保的方式处理农业废弃物的新途径。
34.本发明以农业废物毛豆荚为原料，生产周期短、成本低、来源广、能耗低、无污染，作为生物质材料在环境中能改善耕地土壤质量和减少资源浪费，合理利用农业废弃物资源变废为宝，对缓解我国能源压和保护生态环境有重大意义。
35.本发明提供的制备方法，生物质在缺氧条件下高温热裂解形成固体物质，在炭化过程中,非碳元素分解和逸出形成孔洞结构，在炭化后通过koh化学活化，高温下钾以气态形式扩散入不同的碳层与炭发生催化氧化作用，进一步对炭进行刻蚀从而形成丰富的微孔，因此，本发明制备的生物炭以微孔为主，有较大的空隙容积及较多的空隙数量，同时负载了催化活性组分氧化铝，有助于提高对所吸附有机污染物催化氧化分解的活性。
36.为保证生物炭的吸附性能，本发明优选步骤s1包括：对毛豆荚进行清洗后，烘干，
粉碎至粉末状，得到毛豆荚粉末；具体的，该步骤包括，对毛豆荚清洗干净后，在105℃烘箱中或在太阳下晾晒至恒重，用粉碎机粉碎至粉末状，过目筛除杂，得到毛豆荚粉末。
37.本发明优选毛豆荚粉末的粒径范围为40目～80目。
38.为使得制备的生物炭具有丰富的微孔结构，本发明优选步骤s2包括：将毛豆荚粉末与氢氧化钾溶液置于超声波清洗器中振动30min后，在恒温振荡器中于40℃～50℃振动10h～12h。
39.本发明优选步骤s3具体包括，于40℃～50℃条件下向活化后的溶液中加入氧化铝和月桂酸，振荡1h，得到稠状物。
40.步骤s4具体包括，将稠状物倒入石英舟放在干燥箱，于105℃条件下烘干，得到固体。
41.本发明优选步骤s5包括：将固体置于管式炉中抽成真空，保持气压稳定在-0.1～0mpa，在气压达到0mpa临界点时，排出炭化气体至常压，以20℃/min的升温速率升至500℃～700℃，并热解60min～120min，得到炭化物。
42.本发明优选步骤s6中对炭化物进行冲洗包括：将炭化物冷却至室温后，用0.1mol/l的盐酸煮沸，浸泡除去灰分，再用超纯水冲洗至中性。
43.为保证生物炭的吸附性能，本发明优选步骤s2中毛豆荚粉末与氢氧化钾溶液的质量比为1:1.5；优选氧化铝的用量是氢氧化钾溶液的质量的1％～5％；月桂酸的用量是氢氧化钾溶液质量的5％～10％。
44.本发明的另一目的在于提供一种生物炭，通过如上所述的生物炭的制备方法进行制备。
45.本发明提供的生物炭，以毛豆荚这种价格低廉、来源丰富的农业废弃物为生物材料来制备生物炭，在能够获得具有经济效益增值的生物炭产品，降低生物炭生产成本的同时，还为现有技术提供了一种以绿色节能环保的方式处理农业废弃物的新途径。
46.该以毛豆荚为原料制备的生物炭，平均的孔径为2.20nm，微孔的容积为0.2442cm3/g，langumir比表面积为954.6652m2/g。
47.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。
48.实施例1
49.本实施例提供一种生物炭的制备方法，具体包括如下步骤：
50.s1：将8g毛豆荚洗净、晾晒干燥后用粉碎机破碎至粉末状，过40目筛除杂，得到毛豆荚粉末；
51.s2：将毛豆荚粉末通过氢氧化钾溶液(毛豆荚与氢氧化钾的质量比为1：1.5)化学活化，置于超声波清洗器中振动30min后在40℃下的恒温振荡器中振荡12h，得到活化后的溶液；
52.s3：向活化后的溶液中加入氧化铝和月桂酸在45℃下振荡1h，得到稠状物；其中氧化铝的用量是氢氧化钾溶液质量的3％，月桂酸的用量是氢氧化钾溶液质量的7％；
53.s4：将稠状物倒入石英舟放在干燥箱于105℃条件下烘干，得到固体；
54.s5：将固体置于管式炉中抽成真空，保持气压稳定在-0.1～0mpa，在气压达到0mpa临界点时排出炭化气体至常压，以20℃/min的升温速率升至600℃并热解60min进行炭化，
得到炭化物；
55.s6：将炭化物冷却到室温后用0.1mol/l盐酸煮沸浸泡除去灰分，再用超纯水反复冲洗至中性，在50℃下真空脱水后研磨成粉末状，得到生物炭。
56.对该生物炭进行测试，该生物炭的孔径为0.8-42nm，微孔的容积为0.244cm3/g，langumir比表面积为954.6652m2/g。
57.生物炭的应用：
58.吸附100mg/l亚甲基蓝溶液100ml时，用0.01mol/l hcl和naoh溶液调节3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5这8个不同的ph值，各加入0.01g生物炭，放入45℃条件下的摇床中混合接触120min；生物炭样品对亚甲基蓝溶液的去除率可以达到98％，吸附量为980mg/g。
59.实施例2
60.本实施例提供一种生物炭的制备方法，具体包括如下步骤：
61.s1：将8g毛豆荚洗净、晾晒干燥后用粉碎机破碎至粉末状，过40目筛除杂，得到毛豆荚粉末；
62.s2：将毛豆荚粉末通过氢氧化钾溶液(毛豆荚与氢氧化钾的质量比为1：1.5)化学活化，置于超声波清洗器中振动30min后在45℃下的恒温振荡器中振荡10h，得到活化后的溶液；
63.s3：向活化后的溶液中加入氧化铝和月桂酸在45℃下振荡1h，得到稠状物；其中氧化铝的用量是氢氧化钾溶液质量的1％，月桂酸的用量是氢氧化钾溶液质量的5％；
64.s4：将稠状物倒入石英舟放在干燥箱于105℃条件下烘干，得到固体；
65.s5：将固体置于管式炉中抽成真空，保持气压稳定在-0.1～0mpa，在气压达到0mpa临界点时排出炭化气体至常压，以20℃/min的升温速率升至500℃并热解60min进行炭化，得到炭化物；
66.s6：将炭化物冷却到室温后用0.1mol/l盐酸煮沸浸泡除去灰分，再用超纯水反复冲洗至中性，在50℃下真空脱水后研磨成粉末状，得到生物炭。
67.生物炭的应用：
68.吸附50mg/l亚甲基蓝溶液100ml时，用0.01mol/l hcl和naoh溶液调节3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5这8个不同的ph值，各加入0.01g生物炭，放入55℃条件下的摇床中混合接触60min；生物炭样品对亚甲基蓝溶液的去除率可以达到99％，吸附量为497mg/g。
69.实施例3
70.本实施例提供一种生物炭的制备方法，具体包括如下步骤：
71.s1：将8g毛豆荚洗净、晾晒干燥后用粉碎机破碎至粉末状，过40目筛除杂，得到毛豆荚粉末；
72.s2：将毛豆荚粉末通过氢氧化钾溶液(毛豆荚与氢氧化钾的质量比为1：1.5)化学活化，置于超声波清洗器中振动30min后在45℃下的恒温振荡器中振荡12h，得到活化后的溶液；
73.s3：向活化后的溶液中加入氧化铝和月桂酸在45℃下振荡1h，得到稠状物；其中氧化铝的用量是氢氧化钾溶液质量的5％，月桂酸的用量是氢氧化钾溶液质量的10％；
74.s4：将稠状物倒入石英舟放在干燥箱于105℃条件下烘干，得到固体；
75.s5：将固体置于管式炉中抽成真空，保持气压稳定在-0.1～0mpa，在气压达到0mpa临界点时排出炭化气体至常压，以20℃/min的升温速率升至700℃并热解80min进行炭化，得到炭化物；
76.s6：将炭化物冷却到室温后用0.1mol/l盐酸煮沸浸泡除去灰分，再用超纯水反复冲洗至中性，在50℃下真空脱水后研磨成粉末状，得到生物炭。
77.生物炭的应用：
78.分别移取50mg/l、100mg/l和150mg/l亚甲基蓝溶液100ml于150ml锥形瓶中，各加入0.01g生物炭，放置在35、45和55℃摇床中振荡,达到吸附平衡后取样。生物炭对亚甲基蓝的吸附量随着温度的增大而增大，说明该吸附为吸热反应，升温有利于吸附。并且随着浓度的增大，亚甲基蓝的吸附量也增大，去除率减小。
79.实施例4
80.本实施例提供一种生物炭的制备方法，具体包括如下步骤：
81.s1：将8g毛豆荚洗净、晾晒干燥后用粉碎机破碎至粉末状，过40目筛除杂，得到毛豆荚粉末；
82.s2：将毛豆荚粉末通过氢氧化钾溶液(毛豆荚与氢氧化钾的质量比为1：1.5)化学活化，置于超声波清洗器中振动30min后在45℃下的恒温振荡器中振荡12h，得到活化后的溶液；
83.s3：向活化后的溶液中加入氧化铝和月桂酸在45℃下振荡1h，得到稠状物；其中氧化铝的用量是氢氧化钾溶液质量的5％，月桂酸的用量是氢氧化钾溶液质量的10％；
84.s4：将稠状物倒入石英舟放在干燥箱于105℃条件下烘干，得到固体；
85.s5：将固体置于管式炉中抽成真空，保持气压稳定在-0.1～0mpa，在气压达到0mpa临界点时排出炭化气体至常压，以20℃/min的升温速率升至600℃并热解80min进行炭化，得到炭化物；
86.s6：将炭化物冷却到室温后用0.1mol/l盐酸煮沸浸泡除去灰分，再用超纯水反复冲洗至中性，在50℃下真空脱水后研磨成粉末状，得到生物炭。
87.生物炭的应用：
88.分别移取40mg/l、800mg/l亚甲基蓝溶液100ml于150ml锥形瓶中，各加入0.01g生物炭，放置在35、45和55℃摇床中振荡,达到吸附平衡后取样；生物炭对亚甲基蓝的吸附量随着温度的增大而增大，说明该吸附为吸热反应，升温有利于吸附。并且随着浓度的增大，亚甲基蓝的吸附量也增大，去除率减小。
89.对比例1
90.本对比例提供一种生物炭的制备方法，具体包括如下步骤：
91.s1：将8g毛豆荚洗净、晾晒干燥后用粉碎机破碎至粉末状，过40目筛除杂，得到毛豆荚粉末；
92.s2：将毛豆荚粉末加入去离子水中，得到溶液；
93.s3：向溶液中加入氧化铝和月桂酸在45℃下振荡1h，得到稠状物；其中氧化铝的用量是氢氧化钾溶液质量的3％，月桂酸的用量是氢氧化钾溶液质量的7％；
94.s4：将稠状物倒入石英舟放在干燥箱于105℃条件下烘干，得到固体；
95.s5：将固体置于管式炉中抽成真空，保持气压稳定在-0.1～0mpa，在气压达到0mpa临界点时排出炭化气体至常压，以20℃/min的升温速率升至600℃并热解60min进行炭化，得到炭化物；
96.s6：将炭化物冷却到室温后用0.1mol/l盐酸煮沸浸泡除去灰分，再用超纯水反复冲洗至中性，在50℃下真空脱水后研磨成粉末状，得到生物炭。
97.对该生物炭进行测试，该生物炭的孔径为6.2-28nm，微孔的容积为0.078cm3/g，langumir比表面积为217.43m2/g。
98.生物炭的应用：
99.吸附100mg/l亚甲基蓝溶液100ml时，用0.01mol/l hcl和naoh溶液调节3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5这8个不同的ph值，各加入0.01g生物炭，放入45℃条件下的摇床中混合接触120min；生物炭样品对亚甲基蓝溶液的去除率为47％，吸附量为139mg/g。
100.对比例1与实施例1的区别为，制备过程中未经氢氧化钾进行活化，制备的生物炭对亚甲基蓝的吸附性能显著下降。
101.对比例2
102.本实施例提供一种生物炭的制备方法，具体包括如下步骤：
103.s1：将8g毛豆荚洗净、晾晒干燥后用粉碎机破碎至粉末状，过40目筛除杂，得到毛豆荚粉末；
104.s2：将毛豆荚粉末通过氢氧化钾溶液(毛豆荚与氢氧化钾的质量比为1：1.5)化学活化，置于超声波清洗器中振动30min后在45℃下的恒温振荡器中振荡10h，得到活化后的溶液；
105.s3：将活化后的溶液倒入石英舟放在干燥箱于105℃条件下烘干，得到固体；
106.s4：将固体置于管式炉中抽成真空，保持气压稳定在-0.1～0mpa，在气压达到0mpa临界点时排出炭化气体至常压，以20℃/min的升温速率升至500℃并热解60min进行炭化，得到炭化物；
107.s5：将炭化物冷却到室温后用0.1mol/l盐酸煮沸浸泡除去灰分，再用超纯水反复冲洗至中性，在50℃下真空脱水后研磨成粉末状，得到生物炭。
108.对该生物炭进行测试，该生物炭的孔径为3.3-39nm，微孔的容积为0.109cm3/g，langumir比表面积为277.09m2/g。
109.生物炭的应用：
110.吸附50mg/l亚甲基蓝溶液100ml时，用0.01mol/l hcl和naoh溶液调节3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5这8个不同的ph值，各加入0.01g生物炭，放入55℃条件下的摇床中混合接触60min；生物炭样品对亚甲基蓝溶液的去除率为59％，吸附量为236mg/g。
111.对比例2与实施例1的区别为，制备过程中未引入氧化铝，制备的生物炭对亚甲基蓝的吸附性能显著下降。
112.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。