一种改性磁性生物炭吸附材料及其应用

摘要

本发明公开了一种改性磁性生物炭吸附材料及其应用，该吸附材料是以农业废弃物玉米秸秆为原料，通过赋磁，碳化，并在其表面附着壳聚糖外衣制得的，该吸附材料原料来源广泛，结构稳定，不易堵塞，不仅对水中典型重金属污染物—镉离子和铜离子具有较高的去除效率，而且便于分离回收和再利用，无二次污染，实现了资源化利用，具有很好的环境效益和经济效益。

说明书

技术领域

本发明涉及一种吸附材料，尤其涉及一种改性磁性生物炭吸附材料及其应用，属于农业废弃物资源化利用及重金属污染水体的污染控制领域。

背景技术

由于工农业生产过程中含镉、铜废水的大量排放，造成水环境中重金属的含量日益增高，严重威胁到人类的生存，因而对水环境中典型重金属污染物的去除成为我国水污染防治关注的焦点。

生物炭作为一种新兴的吸附材料，以其制备原材料的来源广泛、制备方式简单可行、吸附能力的高效而越来越受到人们的关注。然而，生物炭在吸附污染物后的回收一直是难以攻克的难题。磁性生物炭的问世，改善了其在回收中造成二次污染的难题，但是由于生物炭对于重金属的吸附机理主要是生物炭表面与重金属的络合以及共沉淀的作用，而改性后的生物炭表面、孔隙中都被磁性材料所填充、覆盖，阻隔了生物炭表面与水溶液中重金属离子的接触，进而影响其表面络合以及共沉淀作用。为了重新强化生物炭对于重金属的吸附能力，本发明通过壳聚糖与磁性生物炭反应，制备改性磁性生物炭吸附材料，以增强磁性生物炭对水中典型重金属污染物的吸附能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种改性磁性生物炭吸附材料，该材料是以农业废弃物玉米秸秆为原料，通过赋磁，碳化，并在其表面附着壳聚糖外衣制得的，该吸附材料结构稳定，不易堵塞，吸附能力强，对水中典型重金属污染物—镉离子和铜离子的吸附效率明显提高。

本发明的另一个目的在于提供上述改性磁性生物炭吸附材料的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种改性磁性生物炭吸附材料，其特征在于，是由以下步骤制备得到的：

1）称取40 g FeCl₃.6H₂O溶于60ml去离子水中，得FeCl₃水溶液，向FeCl₃水溶液中加入生物质材料，搅拌均匀，80℃下放置2h赋磁；

2）将赋磁的生物质置于坩埚中，铝箔封口置于马弗炉内，一定升温速率升温至700℃，恒温保持3h，冷却至室温，磨碎，过筛，得磁性生物炭；

3）取3g壳聚糖溶于100ml醋酸溶液中，充分溶解后，加入磁性生物炭，搅拌均匀，逐滴滴加至NaOH水溶液中，静置，过滤，取其中固体，去离子水冲洗，烘干，得改性磁性生物炭吸附材料。

本发明通过壳聚糖与磁性生物炭反应，壳聚糖覆盖于磁性生物炭表面，显著增强磁性生物炭对水中镉离子和铜离子的吸附能力，该改性磁性生物炭吸附材料结构稳定，不易堵塞，吸附能力强。

所述的，生物质材料为过2mm筛的玉米秸秆，FeCl₃.6H₂O和生物质材料的质量比为1:0.25。

所述的，升温速率为10℃/min，磁性生物炭过0.5-1mm筛，壳聚糖与磁性生物炭的质量比为1:1。

所述的，醋酸溶液的浓度为2%，NaOH水溶液的浓度为1.2%，静置时间为24h。

一种改性磁性生物炭吸附材料在水中典型重金属污染物去除中的应用。

所述的，水中典型重金属污染物为镉离子或铜离子。

本发明制得的吸附材料的比表面积39.87m²/g，总孔隙体积2.018                                                ×10^-2cm³/g，微孔体积1.61×10^-2cm³/g，微孔半径0.557nm。

本发明的有益效果：

1.本发明的改性磁性生物炭吸附材料结构稳定，不易堵塞，吸附能力强，不仅对水中典型重金属污染物—镉离子和铜离子具有较高的去除效率，而且便于分离回收和再利用，无二次污染。

2.本发明的原材料来源广泛，成本低廉，制备方法简单易行。

3.将农业废弃物玉米秸秆制备成吸附材料后，不仅可以减轻其对生态环境的破坏，还可以吸附废水中的镉离子和铜离子，实现了资源化利用，具有很好的环境效益和经济效益。

附图说明

图1为常规方法制备的生物炭的扫描电镜；

图2为本发明实施例1制备的磁性生物炭的扫描电镜；

图3为本发明实施例1制备的改性磁性生物炭吸附材料的扫描电镜。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例1

一种改性磁性生物炭吸附材料，是由以下步骤制得的：称取40 g FeCl₃.6H₂O溶于60ml去离子水中配制FeCl₃水溶液，将过2mm筛后的10g玉米秸秆加入其中，搅拌均匀，80℃下放置2h附磁；将赋磁的生物质置于坩埚中，铝箔封口置于马弗炉以10℃/min的升温速率升温至700℃，恒温保持3h，冷却至室温，磨碎，过0.7mm筛，得磁性生物炭；取3g壳聚糖溶于100ml醋酸溶液（2%）中，充分溶解后，将3g磁性生物炭加入该溶液中，搅拌均匀，逐滴滴加至900mlNaOH（1.2%）水溶液中，静置，过滤，取其中固体，去离子水冲洗5次，烘干，得本实施例的改性磁性生物炭吸附剂。

本实施例制得的吸附材料的比表面积39.87m²/g，总孔隙体积2.018×10^-2cm³/g，微孔体积1.61×10^-2cm³/g，微孔半径0.557nm。

分别量取浓度为40mg/l镉离子和铜离子溶液50ml，将本实施例制得的0.05g磁性生物炭分别加入镉离子和铜离子溶液中，经24h震荡，利用原子吸收分别测定溶液中残留的镉离子或铜离子的浓度，计算镉离子去除率为4.5%，铜离子的去除率为3.2%。

分别量取浓度为40mg/l镉离子和铜离子溶液50ml，将本实施例制得的0.05g改性磁性生物炭分别加入镉离子和铜离子溶液中，经24h震荡，利用原子吸收分别测定溶液中残留的镉离子或铜离子的浓度，计算镉离子去除率为99.3%，铜离子的去除率为99.5%。

镉离子和铜离子的去除实验

选定实施例1制得的改性磁性生物炭作为实验组，实施例1制得的改性磁性生物炭作为对照组，分别量取浓度为40mg/l、80mg/l和180mg/l镉离子溶液各2份，分别量取浓度为40mg/l、80mg/l和180mg/l铜离子溶液各2份，分别将实验组和对照组的生物炭加入到不同浓度的镉离子或铜离子溶液中，经24h震荡，利用原子吸收分别测定溶液中残留的镉离子或铜离子的浓度，计算镉离子和铜离子的去除率，结果如表1所示。

表1 离子去除率测试结果

由表1可知，在不同浓度的镉离子或铜离子溶液中，实验组的去除率均明显高于对照组。