申请日2014.01.13
公开(公告)日2014.04.16
IPC分类号B01J20/20; C02F1/58; C02F1/28; B01J20/30
摘要
本发明提供一种用于废水除磷的生物质碳复合材料的制备方法，该制备方法包括将废弃生物质加入到金属盐溶液中，搅拌混匀，再加入碱溶液，继续搅拌30-120min，然后进行水热碳化，待反应完全后将所得产物冷却至室温，抽滤，再用水和/或乙醇洗去表面未反应物质，接着在60-120℃温度条件下干燥至恒重，过40-180目筛，即得。本发明的制备方法以废弃生物质为原料，成本低廉，采用水热碳化法反应条件温和，整个制备工艺过程简单，获得的生物质碳复合材料稳定性好，具有高效的除磷效果。
权利要求书
1.一种用于废水除磷的生物质碳复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括将废弃生物质加入到金属盐溶液中，搅拌混匀，再加入碱溶液，继续搅拌30-120min，然后进行水热碳化，待反应完全后将所得产物冷却至室温，抽滤，再用水和/或乙醇洗去表面未反应物质，接着在60-120℃温度条件下干燥至恒重，过40-180目筛，即得。
2.根据权利要求1所述的生物质碳复合材料的制备方法，其特征在于，水热碳化的温度为140-280℃，时间为4-48小时。
3.根据权利要求1或2所述的生物质碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述废弃生物质与金属盐溶液的m/v比为5-20%，金属盐溶液的浓度为0.01-0.2mol/L。
4.根据根据权利要求3所述的生物质碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述碱溶液与金属盐溶液的体积比为1-25%，碱溶液的浓度为1-6mol/L。
5.根据权利要求1或2所述的生物质碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述的金属盐溶液中的金属元素为铁、铝、钙、镁和镧中的至少一种。
6.根据权利要求1或2所述的生物质碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述废弃生物质选自农业废弃物、林业废弃物、养殖废弃物和餐厨垃圾中的至少一种。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法制得的生物质碳复合材料。
8.根据权利要求7所述的生物质碳复合材料在废水除磷中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，向废水中投加1-5 g/L所述生物质碳复合材料，吸附时间为2-24小时。
10.根据权利要求8或9所述的应用，其特征在于，收集吸附了磷的生物质碳复合材料作为磷肥用于农业生产，或将其进行焚烧。
说明书
一种用于废水除磷的生物质碳复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于吸附材料技术领域，涉及一种生物质碳复合材料的制备方法，特别涉及一种采用水热碳化法制备用于废水除磷的生物质碳复合材料的方法。
背景技术
磷是引起水体富营养化的主要元素之一，控制磷元素比控制氮元素更能有效的控制水体富营养化，被磷污染的水体，藻类大量繁殖，溶解氧锐减，水质变臭，严重影响鱼类等水生生物的生存;磷也是配水系统水质生物稳定的限制因子，它在给水处理中的去除也受到越来越多的关注。另一方面，磷在生物圈中是单向流动的，磷的大量消耗将使磷成为宝贵稀有资源。因此，去除水中的磷的同时将其回收利用，将有重要的环境意义。常规的生物除磷法和化学除磷法存在操作条件严格、产生二次污染以及不能回收磷资源等缺点，而吸附法由于占地面积小，工艺简单，操作方便，易于磷的回收而倍受人们关注。
吸附剂在磷的去除和回收方面的应用较为广泛，但传统的吸附剂往往通过化学沉积和解吸来回收磷，这导致了较低的磷回收效率，但生物质碳复合材料在磷吸附后可以直接作为磷肥用于农业生产，也可以通过焚烧来得到高浓度的磷酸盐灰分，从而实现磷的回收。
水热碳化是生物质在较温和的温度及水蒸气形成的压力条件下的热化学变化。近年来尽管水热碳化在固碳材料、催化剂、燃料电池、生物成像、药物投递、传感器和水处理等材料的制备方面，及在废弃生物质(如秸秆、餐厨垃圾等)的高热值转变方面得到广泛应用，但在除磷材料制备方面的应用仍未见报导。钙、铁、镁、铝和镧等元素在高效磷吸附材料的制备中得到了大量的应用，目前高效磷吸附材料中这些元素的参杂主要是通过生物质高温热裂解，然而高温热裂解法存在反应温度高、条件苛刻、对设备要求高、成本高等缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种反应条件温和、制备工艺简单、成本低廉、稳定性好、具有可控性的生物质碳复合材料的制备方法。该制备方法包括将废弃生物质加入到金属盐溶液中，搅拌混匀，再加入碱溶液，继续搅拌30-120min，使其充分反应，然后进行水热碳化，待反应完全后将所得产物冷却至室温，抽滤，再用水和/或乙醇洗去表面未反应物质，接着在60-120℃温度条件下干燥至恒重，过40-180目筛，即得。
本发明通过将废弃生物质加入到金属盐溶液中浸泡，充分浸泡后再加入碱溶液，从而实现氢氧化物在生物质表面的负载，水热碳化负载了氢氧化物的生物质碳的表面具备丰富的含氧基团，而一些金属元素对这些含氧基团具有较高的亲和力，因此这些金属元素可以参杂到生物质碳的表面，形成复合材料，可以同步实现生物质的碳化和功能化。
优选地，水热碳化的温度为140-280℃，时间为4-48小时。
优选地，所述废弃生物质与金属盐溶液的m/v比为5-20%，金属盐溶液的浓度为0.01-0.2mol/L，以通过水热碳化制备含有最佳金属元素比例的生物碳复合材料。
优选地，所述碱溶液与金属盐溶液的体积比为1-25%，碱溶液的浓度为1-6mol/L，本发明金属盐溶液与碱溶液的体积比是较为合适的，能够使得金属离子全部形成氢氧化物。
优选地，所述的金属盐溶液中的金属元素为铁、铝、钙、镁和镧中的至少一种。铁、铝、钙、镁和镧等金属元素对生物质碳的表面具备丰富的含氧基团具有较高的亲和力，因此这些元素可以参杂到生物质碳的表面，形成复合材料。
优选地，所述废弃生物质选自农业废弃物、林业废弃物、养殖废弃物和餐厨垃圾中的至少一种。废弃生物质来源广泛，价格低廉，可以大大降低该复合材料的成本。
本发明的另一个目的提供一种上述制备方法制得的生物质碳复合材料。
本发明的又一个目的是提供上述生物质碳复合材料在废水除磷中的应用。
优选地，所述的应用是向废水中投加1-5 g/L所述生物质碳复合材料，吸附时间为2-24小时。
优选地，所述的应用是收集吸附了磷的生物质碳复合材料作为磷肥用于农业生产，或将其进行焚烧，去除有机部分，得到高磷酸盐含量的灰分，从而实现磷的回收。
本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：
本发明采用废弃生物质作为原料，来源广泛，成本低廉;采用水热碳化法制备生物质碳复合材料，反应条件温和，绿色环保;制备工艺过程简单，稳定性好，操作可控，可实现工业化。本发明制得的生物质碳复合材料具有高效的除磷效果，且在碱性或阴离子存在条件下，除磷性能降幅微弱，显著优于传统的除磷材料。吸附了磷的生物质碳复合材料可作为磷肥用于农业生产，或将其进行焚烧，去除有机部分，得到高磷酸盐含量的灰分，从而实现磷的有效回收。