專利名稱：一種酸改性竹炭及其制備方法和利用其去除飲用水中氨氮的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及改性竹炭及其制備及在水處理中的應用。
背景技術：
近年來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國大部分地表水和地下水受到了不同程度的污染，氨氮是主要的污染物之一。如果受污染的水源水不加處理或處理不當，導致自來水廠出水中的氨氮含量偏高，會造成管網(wǎng)中亞硝化菌和硝化菌的繁殖生長，從而使管網(wǎng)中硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量超標。硝酸鹽過量會使嬰兒患上高鐵血紅蛋白癥，當飲用水中硝態(tài)氮 (NO3-N)含量高于10mg/L時就會使紅血球不能帶氧而導致嬰兒窒息死亡；另外，硝酸鹽和亞硝酸鹽轉化為亞硝胺后會產(chǎn)生“癌、致突變、致畸”的三致物質。飲用水中的氨氮處理的方法主要有電吸附法，曝氣除氨法，折點加氯除氨法，生物處理法以及膜過濾法等。然而， 在這些方法中，電吸附法和膜過濾法費用高，折點加氯除氨法易產(chǎn)生氯仿等消毒副產(chǎn)物，生物處理法在低于5°C的低溫下微生物難以存活，氨氮去除率低。

發(fā)明內容
本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的去除飲用水中氨氮的方法中電吸附法和膜過濾法費用高、 折點加氯除氨法易產(chǎn)生氯仿等消毒副產(chǎn)物和生物處理法對于低溫水中的氨氮的去除率低的技術問題，而提供一種酸改性竹炭及其制備方法和利用其去除飲用水中氨氮的方法。本發(fā)明的一種酸改性竹炭是用干餾炭化的最終溫度為300°C 400°C的低溫碳化的竹炭和重量百分濃度為5% 10%的硝酸制成的。上述的酸改性竹炭的制備方法按以下步驟進行一、將干餾炭化的最終溫度為 300°C 400°C的低溫碳化的竹炭粉碎至細度為200目 250目，然后用去離子水洗滌，再用去離子水浸泡1 20h，過濾后，將低溫碳化的竹炭放在溫度為105°C 110°C的烘箱中干燥24h 48h，得到潔凈的低溫碳化的竹炭；二、將步驟一得到的潔凈的低溫碳化的竹炭浸漬在重量百分濃度為5% 10%的硝酸中，在室溫下保持24h ^h，然后將低溫碳化的竹炭過濾出來，用蒸餾水洗滌至PH為6 7 ；三、將經(jīng)步驟二處理的低溫碳化的竹炭放在溫度為105°C 110°C的烘箱中干燥Mh 48h，得到酸改性竹炭。利用酸改性竹炭去除飲用水中氨氮的方法按以下步驟進行按酸改性竹炭的投加量為3mg/L 5mg/L，將酸改性竹炭投放到預處理池中，在水的溫度為0°C 5°C的條件下攪拌他 12h，再將酸改性竹炭過濾出來，完成飲用水中氨氮的去除。在本發(fā)明的酸改性竹炭是一種新型吸附材料，竹材作為一種多孔介質材料，干餾炭化后形成的竹炭具有較高的孔隙度，其孔隙包括大孔隙、中孔隙、微孔隙。竹炭有豐富的孔隙分布特征和高比表面積，其表面存在羥基、以內酯形態(tài)存在的羧基、酚羥基等含氧官能團和少量含硫、氫、氯元素的表面官能團，而經(jīng)過酸改性后的竹炭在其他礦物質元素(硫、 氫、氯)未發(fā)生改變的情況下，引入了更多的羰基，羥基等含氧極性官能團，這些極性官能
3團可以吸附水體中同樣極性的氨氮，極大的提高了未改性竹炭在水體中對氨氮的吸附能力。對于溫度為0°c 5°C的低溫水中的氨氮的去除率可以達到58% 64%。利用酸改性竹炭吸附水中的氨氮從而去除水中氨氮的方法，工藝簡單，無需昂貴的設備，處理費用低， 而且不會產(chǎn)生任何副產(chǎn)物，無二次污染。本發(fā)明酸改性竹炭制備方法簡單，使用方便，可用于水處理領域。


圖1是具體實施方式
二十六步驟一中干餾炭化的最終溫度為400°C的低溫碳化竹炭的掃描電鏡照片；圖2是具體實施方式
二十六得到的酸改性竹炭的掃描電鏡照片；圖3 是具體實施方式
二十六中步驟一中干餾炭化的最終溫度為400°C的低溫碳化的竹炭的傅立葉紅外光譜圖；圖4是具體實施方式
二十六得到的酸改性竹炭的傅立葉紅外光譜圖；圖5 是預處理池水中氨氮隨時間的變化關系曲線圖，其中a為具體實施方式
二十六制備的酸改性竹炭為吸附劑時氨氮隨時間的變化關系曲線，b為以低溫碳化的竹炭為吸附劑時氨氮隨時間的變化關系曲線。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式的一種酸改性竹炭是用干餾炭化的最終溫度為 300°C 400°C的低溫碳化的竹炭和重量百分濃度為5% 10%的硝酸制成的。本實施方式的酸改性竹炭是一種新型吸附材料，竹材作為一種多孔介質材料，干餾炭化后形成的竹炭具有較高的孔隙度，其孔隙包括大孔隙、中孔隙、微孔隙。竹炭有豐富的孔隙分布特征和高比表面積，其表面存在羥基、以內酯形態(tài)存在的羧基、酚羥基等含氧官能團和少量含硫、氫、氯元素的表面官能團，而經(jīng)過酸改性后的竹炭在其他礦物質元素 (硫、氫、氯)未發(fā)生改變的情況下，引入了更多的羰基，羥基等含氧極性官能團，這些極性官能團可以吸附水體中同樣極性的氨氮，極大的提高了未改性竹炭在水體中對氨氮的吸附能力。對于溫度為0°c 5°C的低溫水中的氨氮的去除率可以達到58% 64%。本實施方式利用酸改性竹炭吸附水中的氨氮，方法簡單，無需昂貴的設備，處理費用低，而且不會產(chǎn)生任何副產(chǎn)物，無二次污染。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是酸改性竹炭是用干餾炭化的最終溫度為320°C 380°C的低溫碳化的竹炭和重量百分濃度為6% 9%的硝酸制成的。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是酸改性竹炭是用干餾炭化的最終溫度為350°C的低溫碳化的竹炭和重量百分濃度為8%的硝酸制成的。
具體實施方式
四本實施方式的一種酸改性竹炭的制備方法按以下步驟進行 一、將干餾炭化的最終溫度為300°C 400°C的低溫碳化的竹炭粉碎至細度為200目 250 目，然后用去離子水洗滌，再用去離子水浸泡18h 20h，過濾后，將低溫碳化的竹炭放在溫度為105°C 110°C的烘箱中干燥24h 48h，得到潔凈的低溫碳化的竹炭；二、將步驟一得到的潔凈的低溫碳化的竹炭浸漬在重量百分濃度為5% 10%的硝酸中，在室溫下保持 24h ^h，然后將低溫碳化的竹炭過濾出來，用蒸餾水洗滌至pH為6 7 ；三、將經(jīng)步驟二處理的低溫碳化的竹炭放在溫度為105°C 110°C的烘箱中干燥24h 48h，得到酸改性竹炭本實施方式的方法制備的酸改性竹炭是一種新型吸附材料，竹材作為一種多孔介質材料，干餾炭化后形成的竹炭具有較高的孔隙度，其孔隙包括大孔隙、中孔隙、微孔隙。竹炭有豐富的孔隙分布特征和高比表面積，其表面存在羥基、以內酯形態(tài)存在的羧基、酚羥基等含氧官能團和少量含硫、氫、氯元素的表面官能團，而經(jīng)過酸改性后的竹炭在其他礦物質元素(硫、氫、氯)未發(fā)生改變的情況下，引入了更多的羰基，羥基等含氧極性官能團，這些極性官能團可以吸附水體中同樣極性的氨氮，極大的提高了未改性竹炭在水體中對氨氮的吸附能力。對于溫度為0°c 5°C的低溫水中的氨氮的去除率可以達到58% 64%。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟一中低溫碳化的竹炭的干餾炭化的最終溫度為320°C 380°C。其它與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟一中低溫碳化的竹炭的干餾炭化的最終溫度為350°C。其它與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
四至六之一不同的是步驟一中低溫碳化的竹炭粉碎至細度為210目 MO目。其它與具體實施方式
四至六之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
四至六之一不同的是步驟一中低溫碳化的竹炭粉碎至細度為220目。其它與具體實施方式
四至六之一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
四至八之一不同的是步驟一中低溫碳化的竹炭用去離子水浸泡18. 5h 19.證。其它與具體實施方式
四至八之一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
四至八之一不同的是步驟一中低溫碳化的竹炭用去離子水浸泡19h。其它與具體實施方式
四至八之一相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
四至十之一不同的是步驟一中低溫碳化的竹炭的干燥溫度為106°C 109°C、干燥時間為^h 40h。其它與具體實施方式
四至十之一相同。
具體實施方式
十二 本實施方式與具體實施方式
四至十之一不同的是步驟一中低溫碳化的竹炭的干燥溫度為108°C、干燥時間為36h。其它與具體實施方式
四至十之一相同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
四至十二之一不同的是步驟二中硝酸的重量百分濃度為6 % 9 %。其它與具體實施方式
四至十二之一相同。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施方式
四至十二之一不同的是步驟二中硝酸的重量百分濃度為8%。其它與具體實施方式
四至十二之一相同。
具體實施方式
十五本實施方式與具體實施方式
四至十四之一不同的是步驟二中潔凈的低溫碳化的竹炭在硝酸中的浸漬時間為2 27h。其它與具體實施方式
四至十四之一相同。
具體實施方式
十六本實施方式與具體實施方式
四至十四之一不同的是步驟二中潔凈的低溫碳化的竹炭在硝酸中的浸漬時間為26h。其它與具體實施方式
四至十四之一相同。
具體實施方式
十七本實施方式與具體實施方式
四至十六之一不同的是步驟二中過濾出來的低溫碳化的竹炭用蒸餾水洗滌至pH為6. 2 6. 8。其它與具體實施方式
四至十六之一相同。
具體實施方式
十八本實施方式與具體實施方式
四至十六之一不同的是步驟二中過濾出來的低溫碳化的竹炭用蒸餾水洗滌至PH為6. 7。其它與具體實施方式
四至十六之一相同。
具體實施方式
十九本實施方式與具體實施方式
四至十八之一不同的是步驟三中的干燥溫度為106°C 109°C、干燥時間為2 40h。其它與具體實施方式
四至十八之一相同。
具體實施方式
二十本實施方式與具體實施方式
四至十八之一不同的是步驟三中的干燥溫度為108°C、干燥時間為36h。其它與具體實施方式
四至十八之一相同。
具體實施方式
二十一本實施方式利用酸改性竹炭去除飲用水中氨氮的方法按以下步驟進行按酸改性竹炭的投加量為3mg/L 5mg/L，將酸改性竹炭投放到預處理池中， 在水的溫度為0°C 5°C的條件下攪拌他 12h，再將酸改性竹炭過濾出來，完成飲用水中氨氮的去除。本實施方式利用酸改性竹炭吸附水中的氨氮，方法簡單，無需昂貴的設備，處理費用低，而且不會產(chǎn)生任何副產(chǎn)物，無二次污染，對于0°c 5°C低溫水的去除率為58% 64%。
具體實施方式
二十二 本實施方式與具體實施方式
二十一不同的是酸改性竹炭的投加量為3. 2mg/L 4. 8mg/L。其他與具體實施方式
二十一相同。
具體實施方式
二十三本實施方式與具體實施方式
二十一不同的是酸改性竹炭的投加量為細g/L。其他與具體實施方式
二十一相同。
具體實施方式
二十四本實施方式與具體實施方式
二十一至二十三之一不同的是待處理水的溫度為1°C 4°C、攪拌時間為他 llh。其他與具體實施方式
二十一至二十三之一相同。
具體實施方式
二十五本實施方式與具體實施方式
二十一至二十三之一不同的是待處理水的溫度為3°C、攪拌時間為10h。其他與具體實施方式
二十一至二十三之一相同。
具體實施方式
二十六本實施方式的一種酸改性竹炭的制備方法按以下步驟進行一、將干餾炭化的最終溫度為400°C的低溫碳化的竹炭粉碎至細度為220目，然后用去離子水洗滌，再用去離子水浸泡18h，過濾后，將低溫碳化的竹炭放在溫度為100°C的烘箱中干燥Mh，得到潔凈的低溫碳化的竹炭；二、將步驟一得到的潔凈的低溫碳化的竹炭浸漬在重量百分濃度為8 %的硝酸中，在室溫下保持Mh，然后將低溫碳化的竹炭過濾出來，用蒸餾水洗滌至PH為7 ；三、將經(jīng)步驟二處理的低溫碳化的竹炭放在溫度為100°C的烘箱中干燥Mh，得到酸改性竹炭。本實施方式步驟一中干餾炭化的最終溫度為400°C的低溫碳化竹炭的掃描電鏡照片如圖1所示。從圖1可以看出，低溫碳化的竹炭的橫切面多為“品字”結構，孔徑主要由大孔，中孔和微孔組成，其中中孔的比例較大，且縱切面為規(guī)則的條形導管狀。經(jīng)本實施方式制備的酸改性竹炭的掃描電鏡照片如圖2所示，從圖2可以看出，酸改性竹炭的橫切面與縱切面產(chǎn)生了較大腐蝕，而竹炭自身的品字結構及導管狀纖維狀形態(tài)的分布特征并未被破壞，酸改性竹炭的方法極大的增加了竹炭表面微孔的數(shù)量，使竹炭在保持其特有的理化性質之外，增加了對氨氮的吸附除能力。本實施方式步驟一中干餾炭化的最終溫度為400°C的低溫碳化的竹炭的傅立葉紅外光譜圖如圖3所示，經(jīng)本實施方式制備的酸改性竹炭的低溫碳化的竹炭的傅立葉紅外光譜圖如圖4所示，比較圖3和圖4可知，在原竹炭上各峰值對應的官能團分別為371 !^1 及2923CHT1為特征ν(C-H)伸縮振動特征峰，1442. 7cm"1及1049. IcnT1為特征δ (C-H)面內彎曲振動特征峰，875. 3cm—1為Y(C-H)面外彎曲振動特征峰，而1568. IcnT1為微弱的 ν(C = 0)芳香族化合物振動峰，這說明在原竹炭內部的碳主要以長鏈烷烴和及少數(shù)的羰基官能團的形式存在；而經(jīng)過改性后的竹炭的頂圖譜中出現(xiàn)3428. Icm-V(O-H)伸縮振動特征峰；1714. 9cm-1及1618. km V(C = 0)非共軛銅；羰基及內酯基伸縮振動特征吸收峰； 153Icm-1V(C = 0)芳香酮骨架吸收特征峰；而 2921cm"\2853cm_1 及 1384. 2cm_\l236. 2cm_1 分別為v(C-H)，δ (C-H)及v(C-C)特征吸收峰。經(jīng)過圖4的特征吸收峰說明經(jīng)過酸的改性處理，竹炭表面的含氧有機極性官能團得以大幅度提高，其中羥基，羰基及內酯基在的親水極性很強，可以在水中吸附同樣強極性的氨氮，從而達到提高在竹炭表面吸附去除氨氮的目的。利用本實施方式制備的酸改性竹炭去除飲用水中氨氮的方法按以下步驟進行按酸改性竹炭的投加量為^ig/L，將本實施方式制備的酸改性竹炭投放到給水的預處理池中， 在水的溫度為5°C的條件下攪拌12h，再將酸改性竹炭過濾出來，完成飲用水中氨氮的去除。同時以干餾炭化的最終溫度為400°C的低溫碳化的竹炭做為對比，按低溫碳化的竹炭的投加量為-g/L，將干餾炭化的竹炭投放到給水的預處理池中，在水的溫度為5°C的條件下攪拌12h，再將酸改性竹炭過濾出來，完成飲用水中氨氮的去除。預處理池水中氨氮隨時間的變化關系曲線如圖5所示，a為利用本實施方式制備的酸改性竹炭為吸附劑時氨氮隨時間的變化關系曲線，b為以低溫碳化的竹炭為吸附劑時氨氮隨時間的變化關系曲線。從圖5可以看出，對于初始濃度為5mg/L的氨氮，當反應時間為他時，以利用本實施方式制備的酸改性竹炭為吸附劑的水中的氨氮濃度為3. ang/L，此時氨氮的去除率達到36%，而以低溫碳化的竹炭為吸附劑的水中的氨氮濃度為4. 6mg/L, 氨氮的去除率僅為8% ；而當反應時間達到他時，以低溫碳化的竹炭為吸附劑的水中的氨氮濃度降為4. :3mg/L，此時氨氮的去除率僅為14%，而經(jīng)過酸改性的竹炭在反應時間為他時，對氨氮的去除率提高到40%左右，極大的提高了竹炭在低溫水中對氨氮的吸附能力。本實施方式的利用酸改性竹炭吸附水中的氨氮從而去除水中氨氮的方法，工藝簡單，無需昂貴的設備，處理費用低，而且不會產(chǎn)生任何副產(chǎn)物，無二次污染。
權利要求
1.一種酸改性竹炭，其特征在于酸改性竹炭是用干餾炭化的最終溫度為30(TC 400°C的低溫碳化的竹炭和重量百分濃度為5% 10%的硝酸制成的。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種酸改性竹炭，其特征在于酸改性竹炭是用干餾炭化的最終溫度為320°C 380°C的低溫碳化的竹炭和重量百分濃度為6% 9%的硝酸制成的。
3.如權利要求1所述的一種酸改性竹炭的制備方法，其特征在于酸改性竹炭的制備方法按以下步驟進行一、將干餾炭化的最終溫度為300°C 400°C的低溫碳化的竹炭粉碎至細度為200目 250目，然后用去離子水洗滌，再用去離子水浸泡1 20h，過濾后，將低溫碳化的竹炭放在溫度為105°C 110°C的烘箱中干燥24h 48h，得到潔凈的低溫碳化的竹炭；二、將步驟一得到的潔凈的低溫碳化的竹炭浸漬在重量百分濃度為5% 10% 的硝酸中，在室溫下保持24h ^h，然后將低溫碳化的竹炭過濾出來，用蒸餾水洗滌至pH 為6 7 ；三、將經(jīng)步驟二處理的低溫碳化的竹炭放在溫度為105°C 110°C的烘箱中干燥 24h 48h，得到酸改性竹炭。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種酸改性竹炭的制備方法，其特征在于步驟一中低溫碳化的竹炭的干餾炭化的最終溫度為320°C 380°C。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的一種酸改性竹炭的制備方法，其特征在于步驟一中低溫碳化的竹炭粉碎至細度為210目 MO目。
6.根據(jù)權利要求3或4所述的一種酸改性竹炭的制備方法，其特征在于步驟一中低溫碳化的竹炭用去離子水浸泡18. 5h 19.證。
7.根據(jù)權利要求3或4所述的一種酸改性竹炭的制備方法，其特征在于步驟一中低溫碳化的竹炭的干燥溫度為106°C 109°C、干燥時間為^h 40h。
8.根據(jù)權利要求3或4所述的一種酸改性竹炭的制備方法，其特征在于步驟二中潔凈的低溫碳化的竹炭在硝酸中的浸漬時間為2 27h。
9.利用權利要求1所述的一種酸改性竹炭去除飲用水中氨氮的方法，其特征在于利用酸改性竹炭去除飲用水中氨氮的方法按以下步驟進行按酸改性竹炭的投加量為3mg/L 5mg/L，將酸改性竹炭投放到預處理池中，在水的溫度為0°C 5°C的條件下攪拌Mi 12h， 再將酸改性竹炭過濾出來，完成飲用水中氨氮的去除。
10.根據(jù)權利要求9所述的利用酸改性竹炭去除飲用水中氨氮的方法，其特征在于酸改性竹炭的投加量為3. 2mg/L 4. 8mg/L。
全文摘要
一種酸改性竹炭及其制備方法和利用其去除飲用水中氨氮的方法，它涉及改性竹炭及其制備及在水處理中的應用。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的去除飲用水中氨氮的方法中電吸附法和膜過濾法費用高、折點加氯除氨法易產(chǎn)生氯仿等消毒副產(chǎn)物和生物處理法對于低溫水中的氨氮的去除率低的技術問題。本發(fā)明的酸改性竹炭是用低溫碳化的竹炭和硝酸制成的。方法將低溫碳化的竹炭粉碎、洗滌和浸泡后，過濾出來烘干，然后浸漬在硝酸中，再洗滌至中性、干燥后，得到酸改性竹炭。利用酸改性竹炭去除飲用水中氨氮的方法是將酸改性竹炭投放到預處理池中，攪拌，再過濾出來，完成飲用水中氨氮的去除。對低溫水中的氨氮的去除率為58％～64％。可用于水處理領域。
文檔編號C02F1/28GK102228822SQ20111019866
公開日2011年11月2日 申請日期2011年7月15日 優(yōu)先權日2011年7月15日
發(fā)明者李偉光, 李春穎, 魏利 申請人:哈爾濱工業(yè)大學