申请日2018.01.09
公开(公告)日2018.06.15
IPC分类号B01J20/26; B01J20/30; C02F1/28; C02F101/20
摘要
本发明提供了一种氧化石墨烯改性猪粪生物炭及其制备方法和在去除污水中镉的应用，属于污水处理技术领域。所述氧化石墨烯改性猪粪生物炭，组分包括氧化石墨烯、猪粪生物炭和聚丙烯酸钠，所述氧化石墨烯通过聚丙烯酸钠负载在猪粪生物炭上。通过观察氧化石墨烯改性猪粪生物炭颗粒的外观形貌发现，氧化石墨烯通过聚丙烯酸钠附着在生物炭的表面，形成高低不平的突起，增加了吸附活性位点，提高了吸附效率。因此，本发明还提供了氧化石墨烯改性猪粪生物炭在去除污水中镉中的应用。
权利要求书
1.一种氧化石墨烯改性猪粪生物炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将氧化石墨烯悬液调整pH值至5～8，将调整pH值后的氧化石墨烯悬液进行超声处理，得到分散的单层氧化石墨烯悬液;
2)将聚丙烯酸钠溶液逐滴加入所述步骤1)中得到的单层氧化石墨烯悬液中，得氧化石墨烯-聚丙烯酸钠悬浮液;
3)将猪粪粉末与所述步骤2)中得到的氧化石墨烯-聚丙烯酸钠悬浮液混合，搅拌1～3h，静置3～4h，过滤，收集沉淀，得到氧化石墨烯改性生物炭复合材料初品;猪粪粉末的质量与氧化石墨烯-聚丙烯酸钠悬浮液的体积比为18～22g：1～1.12L;
4)将所述步骤3)中得到的氧化石墨烯改性生物炭复合材料初品进行水洗，再冷冻干燥，得到去杂的氧化石墨烯改性生物炭复合材料初品;
5)在氮气氛围中，将所述步骤4)中得到的去杂的氧化石墨烯改性生物炭复合材料初品置于热解环境中，向所述热解环境中通入氮气，以8～15℃/min的升温速率升温至100～400℃热解1～4h，将热解产物冷却后粉碎、过筛，得到氧化石墨烯改性猪粪生物炭。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中猪粪粉末是由新鲜猪粪在25～40℃下晾晒7～14d，将晾晒后的猪粪粉碎、过筛制备得到。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述猪粪粉末的粒径为18～25目。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中所述聚丙烯酸钠溶液与单层氧化石墨烯悬液的体积比为0.08～0.12：1;氧化石墨烯悬液的质量浓度为0.1～1mg/mL;聚丙烯酸钠溶液的质量浓度为1.0～4.0mg/mL。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中超声处理的条件：超声时间30～60min，超声频率为35～45kHz，超声功率为45～55W。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中猪粪粉末的质量与氧化石墨烯-聚丙烯酸钠悬浮液的体积比为20g：1.1L。
7.根据权利要求1、2、4～6任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中氮气的通入速度为0.1～0.8L/min;热解的温度为200～300℃;热解的时间为2～3h;
所述步骤5)中过筛的孔径为18～25目。
8.权利要求1～7任意一项所述方法制备的氧化石墨烯改性猪粪生物炭，其特征在于，组分包括氧化石墨烯、猪粪生物炭和聚丙烯酸钠，所述氧化石墨烯通过聚丙烯酸钠负载在猪粪生物炭上;所制备的氧化石墨烯改性猪粪生物炭的产率为53.8%;氧化石墨烯的改性率为35%～40%。
9.权利要求1～7任意一项所述方法制备的氧化石墨烯改性猪粪生物炭或权利要求8所述的氧化石墨烯改性猪粪生物炭在去除污水中镉中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述氧化石墨烯改性猪粪生物炭的投加质量为每升废水中添加0.4～6g。
说明书
一种氧化石墨烯改性猪粪生物炭及其制备方法和在去除污水中镉的应用
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯改性猪粪生物炭及其制备方法和在去除污水中镉的应用。
背景技术
镉是生物体的非必须元素，在自然界中的含量很低。但近半个世纪以来，随着镉在工业上的应用日益增加，以及对镉伴生矿的大量开采利用，含镉污染物在环境中的排放量不断增大，镉污染问题也越来越严重。国际卫生组织发表的公报将镉列为1A级的环境危险物质。镉具有致癌、致畸、致突变的作用，被人体吸收后，在体内形成镉硫蛋白，选择性的积蓄于肝、肾之中，从而影响肝、肾器官中酶系统的正常功能，使骨骼的生长代谢受阻碍，进而造成骨骼疏松、萎缩、变形等，高浓度时甚至会导致死亡。大量研究表明，镉对人体造成危害最主要是通过作物吸收和食物链的传播途径，20世纪50年代在日本神通川流域发生的“痛痛病”即是由于稻米镉污染引起的环境公害病。国际卫生组织确定的国际引用水标准中镉浓度不得超过0.01mg/L。
近年来，随着科技的不断进步，各种各样的重金属废水处理方法层出不穷，主要有沉淀、离子交换、吸附、电化学处理、光合细菌处理、活性污泥处理等等，但是其中大部分方法由于成本较高而在实际应用中受到限制。
生物吸附法将是废水深度处理常用的方法。使用生物材料处理和回收镉废水的技术是既经济又简单的治理方法，已经受到大家的广泛关注。以废弃生物质制备吸附剂具有以下优点：(1)生产成本低、生物质来源广泛;(2)在处理低浓度的含重金属离子的废水时效果更好;(3)吸附剂在水中不溶，便于分离;(4)可再生，且再生周期短，可生物降解，环境友好等。但是生物质材料普遍存在的缺点是金属吸附性，对高浓度的污水处理效果差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氧化石墨烯改性猪粪生物炭及其制备方法和在去除污水中镉的应用，所述氧化石墨烯改性猪粪生物炭吸附活性高，具有吸附高浓度污水中镉的优点。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种氧化石墨烯改性猪粪生物炭的制备方法，包括以下步骤：
1)将氧化石墨烯悬液调整pH值至5～8，将调整pH值后的氧化石墨烯悬液进行超声处理，得到分散的单层氧化石墨烯悬液;
2)将聚丙烯酸钠溶液逐滴加入单层氧化石墨烯悬液中，得氧化石墨烯-聚丙烯酸钠悬浮液;
3)将猪粪粉末与氧化石墨烯-聚丙烯酸钠悬浮液混合，搅拌1～3h，静置3～4h，过滤，收集沉淀，得到氧化石墨烯改性生物炭复合材料初品;猪粪粉末的质量与氧化石墨烯-聚丙烯酸钠悬浮液的体积比为18～22g：1～1.12L;
4)将所述步骤3)中得到的氧化石墨烯改性生物炭复合材料初品进行水洗，再冷冻干燥，得到去杂的氧化石墨烯改性生物炭复合材料初品;
5)氮气氛围中，将所述步骤4)中得到的去杂的氧化石墨烯改性生物炭复合材料初品置于热解环境中，向所述热解环境中通入氮气，以8～15℃/min的升温速率升温至100～400℃热解1～4h，冷却，粉碎、过筛，得到氧化石墨烯改性猪粪生物炭。
优选的，所述步骤3)中猪粪粉末是由新鲜猪粪在25～40℃下晾晒7～14d，收集晾晒后的猪粪粉碎、过筛制备得到。
优选的，猪粪粉末的粒径为18～25目。
优选的，所述步骤2)中聚丙烯酸钠溶液与单层氧化石墨烯悬液的体积比为0.08～0.12：1;氧化石墨烯悬液的质量浓度为0.1～1mg/mL;聚丙烯酸钠溶液的质量浓度为1.0～4.0mg/mL。
优选的，所述步骤1)中超声处理的条件：超声时间30～60min，超声频率为35～45kHz，超声功率为45～55W。
优选的，所述步骤3)中猪粪粉末的质量与氧化石墨烯-聚丙烯酸钠悬浮液的体积比为20g：1.1L。
优选的，所述步骤5)中氮气的通入速度为0.1～0.8L/min;热解的温度为200～300℃;热解的时间为2～3h;过筛的孔径为18～25目。
本发明还提供了所述方法制备的氧化石墨烯改性猪粪生物炭，组分包括氧化石墨烯、猪粪生物炭和聚丙烯酸钠，所述氧化石墨烯通过聚丙烯酸钠负载在猪粪生物炭上;所制备的氧化石墨烯改性猪粪生物炭的产率为53.79%;氧化石墨烯的改性率为35%～40%。
本发明还提供了所述方法制备的氧化石墨烯改性猪粪生物炭或所述的氧化石墨烯改性猪粪生物炭在去除污水中镉中的应用。
优选的，所述氧化石墨烯改性猪粪生物炭的投加质量为每升废水中添加0.4～6g。
本发明提供了一种氧化石墨烯改性猪粪生物炭，氧化石墨烯通过聚丙烯酸钠负载在猪粪生物炭上，增加了猪粪生物炭上的活性位点，加上聚丙烯酸钠的胶黏作用，使氧化石墨烯焊接固定在猪粪生物炭的表面上，增大了单一生物炭对镉离子的去除效率和吸附容量，同时聚丙烯酸钠的存在，也增加了复合材料的官能团类型，在波长2960～2850cm-1处，脂肪族CH2吸收峰显著增强，并且在波长1600～1620cm-1处产生新的吸收峰，表明氧化石墨烯改性的猪粪生物炭含有羧基和酮类中的C=O官能团，增大了复合材料的活性位点，具有吸附容量大，吸附效率高等优势。当氧化石墨烯改性的猪粪生物炭的投加量为3g/L时，其对镉去除率达到了90.3%以上;当投加量为6g/L时，对镉的去除率达到97.3%。
本发明提供的氧化石墨烯改性猪粪生物炭复合材料的制备方法，合成方法简单，材料易得，能够大规模生产和应用。同时，我国养猪产业十分发达，猪粪产量大且廉价，但是猪粪的利用率低，且利用方式简单不合理。若用作为生物炭的原料不仅能减少传统猪粪废弃对大气、土壤、水体造成的污染，而且利用氧化石墨烯改姓猪粪生物炭克服了传统意义上生物炭吸附量低以及单纯石墨烯材料在水中絮凝不易分散的缺点，大大拓展了猪粪无害化和资源利用化渠道。
本发明提供的所述氧化石墨烯改性猪粪生物炭复合材料在处理污水中镉的应用，对环境生物的毒性低，可作为工程复合炭材料来处理污染水体。