專利名稱:利用互花米草基生物炭治理含銅廢水的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及互花米草基生物炭的制備方法及其對含銅廢水的治理,屬于生物質(zhì)的資源化利用領(lǐng)域。
背景技術(shù):
化工、電鍍、有色冶煉、印染、礦山開采、染料生產(chǎn)、電子材料漂洗廢水等過程中常產(chǎn)生含有大量銅離子的廢水,這種廢水排入水體,會嚴(yán)重影響水質(zhì),使水體散發(fā)異味、抑制水體自凈能力、導(dǎo)致水體無法飲用,對環(huán)境質(zhì)量和人體健康造成危害。吸附法是去除重金屬的一種重要方法,活性炭和生物吸附劑是目前常用的基于生物質(zhì)的去除重金屬的吸附劑。 由于活性炭昂貴的原材料和生產(chǎn)成本,在處理低濃度、大水量重金屬廢水時并不合適。雖然生物吸附劑成本較低,但對低濃度重金屬廢水去除率較低,而且其作為生物質(zhì)易于變質(zhì)而不易保存。故尋求效果好、成本低,同時便于保存的吸附劑,是吸附法去除重金屬銅的一個重要研究方向。生物炭是一種由生物質(zhì)在無氧或缺氧條件下熱解產(chǎn)生的富碳固體產(chǎn)物。作為土壤改良劑,具有生物固碳、提高土壤肥力、提高農(nóng)作物產(chǎn)率等作用。生物炭是未完全碳化的富碳產(chǎn)物,其表面富含羧基、羥基、苯酚基團(tuán)等,對重金屬離子和有機(jī)物都有較好的吸附效應(yīng)。 相對于傳統(tǒng)吸附劑活性炭,生物炭原材料來源廣泛,其常見的原材料為農(nóng)畜廢棄物、工業(yè)及生活垃圾,如秸桿、種殼、糞便、污泥、餐廚垃圾等;其制備過程中碳化溫度低(<50(TC),且無需后續(xù)的活化步驟;其表面官能團(tuán)含量豐富,對重金屬去除率更高。相對于生物吸附劑, 生物炭經(jīng)過熱解碳化后,其性質(zhì)穩(wěn)定、不易變質(zhì)、易于保存。故由于生物炭原料豐富、成本低廉、制備簡單、易于保存、對重金屬的吸附量高等優(yōu)點,作為一種質(zhì)優(yōu)價廉的新型吸附劑日漸受到人們的重視?;セ撞菔怯?979年被引入中國,初期在保灘護(hù)堤、促淤造陸方面起了重要作用,但是由于其在潮灘濕地生境中超強(qiáng)的繁殖力,造成了威脅海濱濕地土著物種、影響灘涂養(yǎng)殖、阻塞航道、使近海水質(zhì)下降、誘發(fā)赤潮等一系列不利影響。所以許多國家將其作為入侵植物實施大范圍的控制計劃,我國國家環(huán)保局于2003年將其列入首批16種入侵物種黑名單。目前對互花米草的有效治理方法并不多,如果將互花米草作為原材料來制備質(zhì)優(yōu)價廉的生物炭用于去除重金屬污染,不僅可以抑制其惡性擴(kuò)張,還可以利用其龐大的生物量資源,取得巨大的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會效益。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于有效利用互花米草,將其變廢為寶,提供一種簡單易行、成本低廉的方法制備高吸附量的生物炭,來治理含銅廢水的污染?;セ撞莼锾康闹苽浞椒ê推鋵~廢水的治理包括如下步驟
1.原料準(zhǔn)備互花米草去根、清洗、風(fēng)干,后再徹底烘干、粉碎;
2.生物炭制備將粉碎的互花米草莖桿置于電爐內(nèi),在流速為50 150mL/min的氮氣保護(hù)下進(jìn)行熱解。以5 20°C /min的升溫速率升至300 550°C,恒溫?zé)峤? 4小時。 碳化后冷卻至室溫,研磨,過篩,既得生物炭。3.處理過程將生物炭以一定的劑量投加到含銅廢水中,調(diào)節(jié)pH3. 5 7,反應(yīng) 6 48小時;
4.結(jié)果檢測使用化學(xué)分析手段檢測吸附后溶液中的銅含量。一種較優(yōu)的制備和吸附方法,包括選取合適的互花米草進(jìn)行清洗、烘干、粉碎、熱解、研磨、吸附,具體優(yōu)化條件如下
步驟1中,將成熟期莖桿粗壯的互花米草去根后清洗,自然風(fēng)干。后將根上部分切割成幾十厘米的小段,烘干,優(yōu)選的烘干溫度為100 120°C。粉碎后過篩,優(yōu)選50 100目篩。步驟2中,互花米草的熱解可選用一般的電爐,如管式電阻爐,氮氣速率80 120mL/min, 5 10°C /min升至熱解溫度350 45CTC,恒溫1. 5 2h。冷卻時可通入40 80mL/min的氮氣,防止由于冷卻初期溫度過高,生物炭被氧化,及縮短冷卻時間。最后研磨, 過50 150目篩。步驟3中,生物炭的投機(jī)劑量可按附圖4確定,調(diào)節(jié)pH為5. 5 6. 5,反應(yīng)時間8 24小時。吸附時間小于8小時,尤其是不足3小時時,吸附量較低,吸附效果欠佳。時間長于24小時,吸附逐漸達(dá)到平衡,吸附量增加較少,且反應(yīng)時間越長,運營成本越高。步驟4中,可將吸附后的懸浮液過濾,檢測濾液中銅的含量。本發(fā)明與現(xiàn)有的吸附劑的制備方法和重金屬處理方法技術(shù)相比有以下顯著的特點和有益效果
1.原材料互花米草廉價易得、資源豐富,廣泛分布于天津、山東、江蘇、上海、浙江、福建等沿海省市,且對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成了惡劣的影響。將其加以利用可以變害為寶,實現(xiàn)廢物的資源化。2.生物炭的制備過程簡單易行、成本低廉。3.利用互花米草制成的生物炭去除污水中的銅,去除效果高于現(xiàn)有的吸附劑,且不需投加任何化學(xué)藥品,不會產(chǎn)生二次污染。4.本方法以害治廢,可同時去除多種重金屬污染。5.去除操作流程非常簡單,對吸附條件和管理條件要求低。
圖1工藝流程圖
圖2熱解溫度對互花米草基生物炭吸附銅的吸附量和去除率的影響
(a)對吸附量的影響
(b)對去除率的影響
圖3溶液pH對互花米草基生物炭吸附銅的吸附量和去除率的影響
(a)對吸附量的影響
(b)對去除率的影響
圖4吸附劑投加量對互花米草基生物炭吸附銅的吸附量的影響。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明
實施例1
1.將互花米草去根,用蒸餾水洗凈,風(fēng)干。將風(fēng)干后的互花米草秸桿剪成50cm左右的小段,后置于烘箱中于105°C下烘干,然后用粉碎機(jī)粉碎,得到50目的粉末。2.粉末置于管式爐內(nèi),在氮氣100mL/min的氣氛下,以5°C/min的速率升至 300°C,恒溫?zé)峤?h。繼續(xù)通入50mL/min的氮氣冷卻至室溫,研磨,過50目篩,既得生物炭。
產(chǎn)率為43%。3.制得的生物炭,按投加劑量2g/L,對pH為6±0. 1的銅溶液進(jìn)行吸附,反應(yīng)時間為36小時。4.取部分吸附后的懸浮液過濾,使用ICP測其銅含量。由本實施例得到的生物炭對銅的吸附量為33. 12mg/g,對于100mg/L的銅溶液,其去除率為60%,50mg/L的去除率達(dá)到95%以上。實施例2
其他條件不變,將實施例1中熱解溫度改為400°C。產(chǎn)率為40%。本實例得到的生物炭,在pH6時,對銅的吸附量為48. 49mg/g。生物炭劑量2g/L 時,對100mg/L的銅溶液去除率為83%,50mg/L的去除率為99%以上,達(dá)到了一級排放標(biāo)準(zhǔn) (〈0. 5mg/L)。實施例3
其他條件不變,將實施例1中熱解溫度改為500°C。產(chǎn)率為39%。本實例得到的生物炭,對銅的吸附量為50. 99mg/g,對100mg/L的銅溶液去除率為 89%, 50mg/L的去除率為99%以上,接近完全去除,達(dá)到了一級排放標(biāo)準(zhǔn)。實施例4
其他條件不變,將實施例2中的熱解時間改為4h。產(chǎn)率為40%。本實例得到的生物炭,對銅的吸附量為48. 75mg/g,對100mg/L的銅溶液去除率為 83%, 50mg/g達(dá)到99%以上,符合一級排放標(biāo)準(zhǔn)。實施例5
其他條件不變,將實施例2中銅溶液的pH調(diào)節(jié)為4。本實例得到的生物炭,對銅的吸附量為42. 29mg/g,對100mg/L的銅溶液去除率為 69%,50mg/g為99%以上,達(dá)到一級排放標(biāo)準(zhǔn)。實施例6
其他條件不變,將實施例2中銅溶液的pH調(diào)節(jié)為5。本實例得到的生物炭,對銅的吸附量為43. 88mg/g,對100mg/L的銅溶液去除率為 73%, 50mg/g達(dá)到99%以上,符合一級排放標(biāo)準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.利用互花米草基生物炭治理含銅廢水的方法,其特征該方法具有如下步驟.1)原料準(zhǔn)備互花米草去根、清洗、風(fēng)干,后再烘干、粉碎;.2)生物炭制備將粉碎的互花米草莖桿置于電爐內(nèi),在氮氣保護(hù)下恒溫?zé)峤猓惶蓟罄鋮s至室溫,研磨,過篩,既得生物炭;.3)處理過程將生物炭以一定的劑量投加到含銅廢水中,調(diào)節(jié)pH,反應(yīng)一段時間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用互花米草基生物炭治理含銅廢水的方法,其特征在于原材料準(zhǔn)備中的烘干溫度為100 120°C,粉碎至粒徑小于100目。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用互花米草基生物炭治理含銅廢水的方法,其特征在于生物炭制備中的氮氣流速為50 150mL/min,升溫速率為5 20°C /min,熱解溫度為300 600°C,熱解時間為1 4小時。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用互花米草基生物炭治理含銅廢水的方法,其特征在于熱解溫度為350 450°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用互花米草基生物炭治理含銅廢水的方法,其特征在于熱解時間為1 2小時。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用互花米草基生物炭治理含銅廢水的方法,其特征在于生物炭制備自然冷卻或通入流速為40 80mL/min的氮氣加速冷卻至室溫,研磨后,粒徑小于 150 目。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用互花米草基生物炭治理含銅廢水的方法,其特征在于處理過程中生物炭的投加量為0. 5 10g/L。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用互花米草基生物炭治理含銅廢水的方法,其特征在于處理過程中廢水的pH為3. 5 7,反應(yīng)時間為6 48小時。
全文摘要
本發(fā)明公開了利用互花米草制備的生物炭治理含銅廢水的方法,屬于生物質(zhì)的資源化利用領(lǐng)域。包括如下步驟(1)將互花米草去根、洗凈、風(fēng)干,后再徹底烘干、粉碎;(2)將互花米草粉末,在N2保護(hù)下以300~550℃的溫度熱解1~4小時,冷卻至室溫后研磨過篩,產(chǎn)率在39~43%之間;(3)將制備好的生物炭,以合適比例投機(jī)到含銅廢水中,處理6~48小時,對銅的吸附量在33.12~50.99%。該方法制得的生物炭成本低廉、操作簡單、吸附量高,創(chuàng)造了良好的環(huán)境和社會效應(yīng),和可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號B01J20/30GK102600799SQ201210079428
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者馮淋淋, 劉強(qiáng), 張亞萍, 賈澤奇, 鄭燕, 郭麗晶 申請人:上海大學(xué)