一种生物质炭氨氮处理材料及其制备方法

IPC分类号 : C02F1/28,B01J20/20,B01J20/30,C02F101/16

申请号

CN201711385026.2

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专利摘要

本发明属于水污染控制材料技术领域，公开了一种生物质炭氨氮处理材料及其制备方法，所述生物质炭氨氮处理材料由生物质炭、分级结构Al2O3纳米片和CuO纳米颗粒组成；所述生物质炭、分级结构Al2O3纳米片和CuO纳米颗粒的质量比为50：2～5：1～5。本发明的原材料易获取且表面生长组分和结构可控，通过增加比表面积来提高吸附性能，通过铜铝协同作用降解氨氮。生物质炭以蓝藻、绿藻、硅藻为前驱体，达到以废治废、可持续发展的目的，且具有制备成本低廉、稳定、无二次污染等特点。

权利要求

1.一种生物质炭氨氮处理材料的制备方法，其特征在于，所述生物质炭氨氮处理材料由生物质炭、分级结构Al2O3纳米片和CuO纳米颗粒组成；

所述生物质炭、分级结构Al2O3纳米片和CuO纳米颗粒的质量比为50：2～5：1～5；

所述生物质炭材料前驱体为蓝藻、绿藻、硅藻的一种或多种的组合；

所述生物质炭材料为片状结构，厚度为500nm～5μm；

所述分级结构Al2O3纳米片由生物质炭表面涂覆铝溶胶，再通过晶体原位生长和高温煅烧而成，尺寸为100nm～1μm；

CuO纳米颗粒由生物质炭和分级结构Al2O3纳米片吸附后的铜离子，经高温煅烧而成，尺寸为50nm～500nm；

所述生物质炭氨氮处理材料的制备方法包括：

步骤一，按每100mL碱溶液加入5～10g生物质原材料计，生物质原材料加入到质量分数为2wt％～8wt％的碱溶液中，在50～80℃环境下，搅拌2～6h后，取出并用去离子水洗涤至中性，烘干；配制1wt％～10wt％的NaClO2溶液，用酸溶液将pH值调节为2～4；烘干样品分散在NaClO2溶液中进行漂白，在60～85℃的环境下，搅拌3～5h，用去离子水和乙醇清洗至中性，在60～80℃的烘箱中干燥4～6h后得预处理的样品；

步骤二，取出样品置于体积分数为0 .5％～5％的HNO3溶液中，在60～90℃的环境中活化2～6h，取出后用去离子水和乙醇清洗至中性；按5g样品溶于50～200ml的铝溶胶，样品加入铝溶胶中密封浸泡1～2h；用去离子水清洗至中性，重复进行5～40次，50～70℃下干燥8～10h后置于管式炉内以2～10℃/min的升温速率升至400～800℃，持续2～6h，自然冷却后得Al2O3/生物质炭材料；

步骤三，按引导剂与样品的摩尔比为1：4～4：1置于50～200ml的反应釜中，100～180℃下水热反应8～12h，取出后用去离子水和乙醇清洗至中性，在50～90℃的烘箱中下干燥4～6h，放入管式炉内以2～10℃/min的升温速率升到400～800℃，持续2～6h，自然冷却后得分级结构Al2O3/生物质炭材料；

步骤四，样品在浓度0 .1mol/L以上的铜溶液中浸泡2～6h，过滤后用去离子水和乙醇清洗至中性，重复进行2～40次后在50～70℃的烘箱中干燥4～6h；置于管式炉内以2～10℃/min的升温速率升到400～800℃，持续2～6h，自然冷却后得到分级结构Al2O3-CuO/生物质炭材料；

所述步骤一中碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种的组合；

所述酸溶液为盐酸、硝酸、醋酸、稀硫酸中的一种或多种的组合。

2.如权利要求1所述的生物质炭氨氮处理材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中铝溶胶为氯化铝、硝酸铝、硫酸铝中的一种或多种的组合。

3.如权利要求1所述的生物质炭氨氮处理材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三中引导剂为六亚甲基四胺、尿素、乙二胺中的一种或者多种的组合。

4.如权利要求1所述的生物质炭氨氮处理材料的制备方法，其特征在于，所述步骤四中铜溶液为硝酸铜、氯化铜、硫酸铜、醋酸铜中的一种或多种的组合。

说明书

技术领域

本发明属于水污染控制材料技术领域，尤其涉及一种生物质炭氨氮处理材料及其制备方法。

背景技术

随着工业化的发展，水污染状况越来越严重，特别是水中氨氮含量逐年增高，导致水体富营养化，海洋发生赤潮，湖泊、河流等藻类大量生长，使水体中的溶解氧急剧下降，水中生物大量死亡，水体生态平衡被严重破坏，因此迫切需要寻找高效、快速去除氨氮的材料与制备方法。传统去除氨氮的方法有空气吹托法，生物处理工艺，电化学氧化，折点加氯法和离子交换法，但这些方法始终存在一些缺陷，比如空气吹脱法是使氨氮以氨气的形式从水体溢出到大气当中，会污染空气；生物处理工艺由于周期长，处理流程复杂产生大量污泥导致二次污染；电化学氧化在去除氨氮的过程中始终保持电极的通电状态，并且经常更换电极，引起操作复杂且浪费大量的能量；离子交换法成本由于太高而不能大规模生产以及折点加氯法在水体中会产生三氯甲烷等致癌物质，危害人体健康。为了克服这些缺点，具有高效、稳定、价格低廉、可重复利用及无二次污染的生物质炭引起广泛的关注。生物质炭材料由于其比表面积高，吸附性能好而被广泛应用于水处理领域，采用富营养化引起的藻类作为生物质炭前驱体，经过炭化、原位生长氧化铝和氧化铜得到具有吸附、催化性能于一体的生物质炭氨氮处理材料，不仅能够利用富营养化所带来的恶性产物，变废为宝，而且经过简单处理能够去除水中氨氮，达到以废治废的目的，比如绿藻中的浒苔是常见的富营养化产物之一，充分利用浒苔的生物价值，将其转化为生物质炭材料运用于水处理领域，符合可持续发展的要求。单纯的生物质炭材料表现出一定的吸附能力，但是由于生物质炭材料仅仅通过孔道进行吸附，导致其吸附量不大，去除效果不明显，因此更加不能够满足日益增长的氨氮浓度，所以需要通过制备吸附-催化双功能材料来解决目前所面临的污染程度，这样通过降低水体中氨氮浓度来减少富营养化湖泊、河流、水库的数量，从而达到保护饮用水源的目的。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种生物质炭氨氮处理材料及其制备方法。

本发明是这样实现的，一种生物质炭氨氮处理材料，所述生物质炭氨氮处理材料由生物质炭、分级结构Al2O3纳米片和CuO纳米颗粒组成；

所述生物质炭、分级结构Al2O3纳米片和CuO纳米颗粒的质量比为50：2～5：1～5。

进一步，所述生物质炭材料前驱体为蓝藻、绿藻、硅藻的一种或多种的组合；

所述生物质炭材料为片状结构，厚度为500nm～5μm。

进一步，所述分级结构Al2O3纳米片由生物质炭表面涂覆铝溶胶，再通过晶体原位生长和高温煅烧而成，尺寸为100nm～1μm；

CuO纳米颗粒由生物质炭和分级结构Al2O3纳米片吸附后的铜离子，经高温煅烧而成，尺寸为50nm～500nm。

本发明的另一目的在于提供一种所述生物质炭氨氮处理材料的制备方法，所述生物质炭氨氮处理材料的制备方法包括：

步骤二，取出样品置于体积分数为0.5％～5％的HNO3溶液中，在60～90℃的环境中活化2～6h，取出后用去离子水和乙醇清洗至中性；按5g样品溶于50～200ml的铝溶胶，样品加入铝溶胶中密封浸泡1～2h；用去离子水清洗至中性，重复进行5～40次，50～70℃下干燥8～10h后置于管式炉内以2～10℃/min的升温速率升至400～800℃，持续2～6h，自然冷却后得Al2O3/生物质炭材料；

步骤三，按引导剂与样品的摩尔比为1：4～4：1，置于50～200ml的反应釜中，100～180℃下水热反应8～12h，取出后用去离子水和乙醇清洗至中性，在50～90℃的烘箱中下干燥4～6h，放入管式炉内以2～10℃/min的升温速率升到400～800℃，持续2～6h，自然冷却后得分级结构Al2O3/生物质炭材料；

步骤四，样品在0.1mol/L以上的铜溶液中浸泡2～6h，过滤后用去离子水和乙醇清洗至中性，重复进行2～40次后在50～70℃的烘箱中干燥4～6h；置于管式炉内以2～10℃/min的升温速率升到400～800℃，持续2～6h，自然冷却后得到分级结构Al2O3-CuO/生物质炭材料。

进一步，所述步骤一中碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种的组合；

所述酸溶液为盐酸、硝酸、醋酸、稀硫酸中的一种或多种的组合。

进一步，所述步骤二中铝溶胶为氯化铝、硝酸铝、硫酸铝中的一种或多种的组合。

进一步，所述步骤三中引导剂为六亚甲基四胺、尿素、乙二胺中的一种或者多种的组合。

进一步，所述步骤四中铜溶液为硝酸铜、氯化铜、硫酸铜、醋酸铜中的一种或多种的组合。

本发明的原材料易获取且表面生长组分和结构可控，通过增加比表面积来提高吸附性能，通过铜铝协同作用降解氨氮。生物质炭以蓝藻、绿藻、硅藻为前驱体，达到以废治废、可持续发展的目的，且具有制备成本低廉、稳定、无二次污染等特点。分级结构Al2O3纳米片能够增加生物质炭的比表面积，提高吸附性能。分级结构Al2O3纳米片与CuO纳米颗粒构成多层次纳米结构，使铜和铝产生偶合效应和协同作用，生物质炭和Al2O3吸附氨氮，再通过铜铝的协同效应降解氨氮，降低水体中的氨氮浓度。将制备的材料用于去除模拟氨氮废水，实验结果表明，其吸附量达100mg/g-150mg/g，去除率在90％以上，为实际应用提供了可靠地理论和实际支撑。

附图说明

图1是本发明实施例提供的生物质炭氨氮处理材料的制备方法流程图；

图2是本发明实施例提供的分级结构Al2O3-CuO/生物质炭材料(20μm)的材料表征图；

图3是本发明实施例提供的分级结构Al2O3-CuO/生物质炭材料(10μm)的材料表征图；

图4是本发明实施例提供的分级结构Al2O3-CuO/生物质炭材料(5μm)的材料表征图；

图5是本发明实施例提供的分级结构Al2O3-CuO/生物质炭材料(2μm)的材料表征图；

图6是本发明实施例提供的分级结构Al2O3-CuO/生物质炭材料(1μm)的材料表征图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

Al2O3由于具有一定的吸附性能，在生物质炭材料上生长Al2O3线、Al2O3片、Al2O3簇状和Al2O3花状结构，不仅能够增加生物质炭的比表面积和吸附性能，而且能够重复利用，与此同时，在氧化铝表面富集Cu单质或者CuO颗粒、棒状CuO，使得铜和铝产生偶合效应和协同作用，生物质炭和Al2O3吸附氨氮，再通过铜铝的协同效应降解氨氮，降低水体中的氨氮浓度。因此，将铝盐和铜盐与生物质炭材料相结合，形成Al2O3-CuO/生物质炭复合材料，具有独特的吸附和催化性能且能高效、快速的去除氨氮，是一种很有前景的氨氮去除材料，它的研究和应用具有潜在的经济效益和社会效益。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明实施例提供的生物质炭氨氮处理材料由生物质炭、分级结构Al2O3纳米片和CuO纳米颗粒组成。

生物质炭、分级结构Al2O3纳米片和CuO纳米颗粒的质量比为50：2～5：1～5。分级结构Al2O3纳米片和CuO纳米颗粒具有多层次纳米结构，对氨氮具有协同吸附和催化功能。

生物质炭材料前驱体为蓝藻、绿藻、硅藻的一种或多种的组合；生物质炭材料为片状结构，厚度为500nm～5μm。

分级结构Al2O3纳米片由生物质炭表面涂覆铝溶胶，再通过晶体原位生长和高温煅烧而成，尺寸为100nm～1μm；CuO纳米颗粒由生物质炭和分级结构Al2O3纳米片吸附后的铜离子，经高温煅烧而成，尺寸为50nm～500nm。

如图1所示，本发明实施例提供的生物质炭氨氮处理材料的制备方法包括以下步骤：

S101：按每100mL碱溶液加入5～10g生物质原材料计，将生物质原材料加入到质量分数为2wt％～8wt％的碱溶液中，在50～80℃环境下，搅拌2～6h后，取出并用去离子水洗涤至中性，烘干；配制1wt％～10wt％的NaClO2溶液，用酸溶液将pH值调节为2～4，将上述烘干样品分散在NaClO2溶液中进行漂白，在60～85℃的环境下，搅拌3～5h，然后用去离子水和乙醇清洗至中性，在60～80℃的烘箱中干燥4～6h后得预处理样品；

S102：取出样品置于体积分数为0.5％～5％的HNO3(65％～68％)溶液中，在60～90℃的环境中活化2～6h，取出后用去离子水和乙醇清洗至中性；按5g样品溶于50～200ml的铝溶胶计，将样品加入铝溶胶中密封浸泡1～2h，然后用去离子水清洗至中性，重复进行5～40次，50～70℃下干燥8～10h后置于管式炉内以2～10℃/min的升温速率升至400～800℃，持续2～6h，自然冷却后得Al2O3/生物质炭材料；

S103：按引导剂与样品的摩尔比为1：4～4：1计，置于50～200ml的反应釜中，100～180℃下水热反应8～12h，取出后用去离子水和乙醇清洗至中性，随后在50～90℃的烘箱中下干燥4～6h，再放入管式炉内以2～10℃/min的升温速率升到400～800℃，持续2～6h，自然冷却后得分级结构Al2O3/生物质炭材料；

S104：将上述样品在0.1mol/L以上的铜溶液中浸泡2～6h，过滤后用去离子水和乙醇清洗至中性，该过程重复进行2～40次后在50～70℃的烘箱中干燥4～6h，最后置于管式炉内以2～10℃/min的升温速率升到400～800℃，持续2～6h，自然冷却后得到分级结构Al2O3-CuO/生物质炭材料。

在本发明的优选实施例中：步骤S101碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种的组合；酸溶液为盐酸、硝酸、醋酸、稀硫酸中的一种或多种的组合。

在本发明的优选实施例中：步骤S102铝溶胶为氯化铝、硝酸铝、硫酸铝中的一种或多种的组合。

在本发明的优选实施例中：步骤S103引导剂为六亚甲基四胺、尿素、乙二胺中的一种或者多种的组合。

在本发明的优选实施例中：步骤S104铜溶液为硝酸铜、氯化铜、硫酸铜、醋酸铜中的一种或多种的组合。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

实施例1：