申请日2018.07.04
公开(公告)日2018.11.23
IPC分类号B01J20/20; B01J20/28; B01J20/30; C02F1/28; C02F101/20
摘要
本发明涉及一种纳米零价铁污泥基生物质炭的制备方法及其应用，其具体为：将剩余污泥自然风干，粉碎，过筛;然后置于恒温干燥，粉碎研磨过筛得到干污泥粉末;再将干污泥粉末碳化，去除杂质，得到负载的基底材料;最后将基底材料浸泡在FeSO4·7H2O溶液中，并往里滴加还原剂溶液，最终制得用于去除水体中三价锑的纳米零价铁污泥基生物质炭。本发明制备方法生产成本低、制备过程简单、生产效率高且有利于大规模生产，制备的纳米零价铁污泥基生物质炭比表面积大、稳定性高、孔隙结构丰富、表面官能团和吸附位点多、对目标污染物去除能力强，且首次应用于吸附去除水体中Sb(III)，其吸附能力强、吸附量大、吸附效果稳定、操作简单、处理周期短、易于分离回收。
权利要求书
1.一种纳米零价铁污泥基生物质炭的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将剩余污泥进行自然风干，去除较大的杂质颗粒后进行粉碎，过50～70目筛;
(2)将经步骤(1)处理的污泥于恒温鼓风干燥箱95℃～115℃烘干至恒重，粉碎研磨后过60～100目筛，得到干污泥粉末;
(3)将步骤(2)得到的干污泥粉末进行碳化，并用盐酸溶液去除其中的杂质，得到作为负载基底材料的污泥基生物质炭;
(4)将步骤(3)得到的污泥基生物质炭浸泡在配好的FeSO4·7H2O溶液中，并往里滴加NaBH4还原剂溶液将Fe(II)还原成零价铁，最终制得纳米零价铁污泥基生物质炭。
2.根据权利要求1所述的一种纳米零价铁污泥基生物质炭的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：
a.将干污泥粉末置于坩埚中，于马弗炉中300℃～700℃下的厌氧环境中煅烧0.5h～1.5h，马弗炉的升温速度为5℃/min～15℃/min;
b.步骤a的热解反应结束后，待坩埚冷却至室温后取出，并将碳化后的污泥基生物质炭粉碎研磨过100目筛;
c.配置浓度为0.1mol/L～2.0mol/L HCl溶液，将经步骤b处理的污泥基生物质炭浸泡在盐酸溶液中处理8h～16h，且质量体积比为1g:(80～120)mL，之后用蒸馏水洗至中性，于70℃～100℃恒温鼓风干燥箱中烘干，再用研钵研磨并过100目筛储存，即得作为负载基底材料的污泥基生物质炭。
3.根据权利要求1所述的一种纳米零价铁污泥基生物质炭的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：
a.配置250mL浓度为0.01mol/L～0.1mol/L的FeSO4·7H2O溶液，将0.1g～1.5g步骤(3)得到的污泥基生物质炭与所配的FeSO4·7H2O溶液进行超声混合，超声时间为1min～10min，超声功率为40HZ～60HZ，得到混合溶液;
b.调节混合溶液pH为4.0～6.0，并通入N230min～1.5h排除混合溶液中的溶解氧;
c.配置250mL浓度为0.01mol/L～0.2mol/L NaBH4还原剂溶液，在厌氧环境中并在磁力搅拌的条件下，以2mL/min～6mL/min的速度逐滴加入经上述步骤b处理的混合溶液中，滴加完继续在密闭的室温条件下磁力搅拌10min～50min，过滤后分别用100mL～300mL的无水乙醇洗涤三次，将残渣过滤后于真空干燥箱80℃～110℃下真空干燥，后用研钵研磨并过100目筛，即得到纳米零价铁污泥基生物质炭。
4.根据权利要求3所述的一种纳米零价铁污泥基生物质炭的制备方法，其特征在于，所述无水乙醇在使用前先通入N230min～1.5h。
5.根据权利要求1或3中的一种纳米零价铁污泥基生物质炭的制备方法，其特征在于：所述污泥基生物质炭与Fe的质量比为1:(0～2)。
6.根据权利要求1或3中的一种纳米零价铁污泥基生物质炭的制备方法，其特征在于：所述FeSO4·7H2O与NaBH4的摩尔比为1:(1～3)。
7.一种权利要求1-6中任一项所制备的纳米零价铁污泥基生物质炭。
8.一种如权利要求1-6中任一项所述纳米零价铁污泥基生物质炭在去除水体中Sb(III)的应用，其特征在于：将所述纳米零价铁污泥基生物质炭与含Sb(III)的水体混合，调节混合水体的pH为4～7进行振荡吸附即可。
9.根据权利要求8所述的一种纳米零价铁污泥基生物质炭在去除水体中Sb(III)的应用，其特征在于：当吸附剂量为0.05g/L～2.0g/L，水体中Sb(III)初始浓度为10mg/L～200mg/L时，振荡吸附的温度为298K～318K，转速为100r/min～200r/min，时间为3h。
说明书
一种纳米零价铁污泥基生物质炭的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及废水处理领域，具体涉及一种纳米零价铁污泥基生物质炭的制备方法及其应用。
背景技术
众所周知，锑是一种有毒的金属元素，许多研究证明锑及其化合物对生物及人体具有慢性毒性和致癌性。锑的毒性与砷的毒性相似，毒性属于中等。不管对于生物还是人类，如果过量地摄入锑可能会导致死亡。在自然界中，金属锑的化合物种类多样，目前被人类鉴识的就高达170多种，主要以无机锑化合物和有机锑化合物两种形式存在，但实际上生活中含锑的化合物主要以三价和五价两种价态的化合物普遍存在于环境中。纯锑的外表面呈现蓝白色的金属光泽，且无毒性，但是其化合物对人体具有很强的生物毒性。经研宄表明，对于锑的生物毒性，无机锑化合物大于有机锑化合物，而在锑化合物中三价锑毒性远大于五价锑毒性。
鉴于锑的毒性及危害，国内外学者对除锑的技术进行了大量探索和研究。目前含锑废水的处理方法主要有混凝沉淀法、离子交换法、膜分离法和吸附法等。其中吸附法是处理有毒金属的一种重要方法，以其成本低廉、运行方便、易于管理等特点，已成为广泛采用的方法。然而吸附法中通常以活性炭作为吸附剂，该吸附剂成本较高，分散在水体中的活性炭材料难以回收再利用，无法被广泛使用。
生物质炭是指废弃生物质在厌氧或缺氧的条件下热裂解产生的含炭物质，被认为是能源生产和环境修复应用方面的多功能材料。但未经修饰的污泥基生物质炭由于比表面积较小，所能提供的吸附位点有限，从而对废水中的污染物质的吸附去除能力较差。而且，生物质炭颗粒粒径很小，难于回收利用，可能会造成二次污染，在一定程度上限制了它的使用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有方法的缺陷，提供一种制备方法简单、易于操作的纳米零价铁污泥基生物质炭的制备方法，进而提供一种吸附能力强、容重小、比表面积大、稳定性高的纳米零价铁污泥基生物质炭，以及提供一种纳米零价铁污泥基生物质炭吸附水体中有毒金属Sb(III)的应用，其具有去除率高、吸附效果稳定、易于分离管理等特点。
为实现上述目的，本发明提供了一种纳米零价铁污泥基生物质炭的制备方法，其包括以下步骤：
(1)将剩余污泥进行自然风干，去除较大的杂质颗粒后进行粉碎，过50～70目筛;
(2)将经上述(1)处理的污泥于恒温鼓风干燥箱95℃～115℃烘干至恒重，粉碎研磨后过60～100目筛，得到干污泥粉末;
(3)将上述(2)得到的干污泥粉末进行碳化，并用盐酸溶液去除其中的杂质，得到作为负载基底材料的污泥基生物质炭;
(4)将步骤(3)得到的污泥基生物质炭浸泡在配好的FeSO4·7H2O溶液中，并往里滴加NaBH4还原剂溶液将Fe(II)还原成零价铁，最终制得纳米零价铁污泥基生物质炭。
所述步骤(3)具体为：
a.将干污泥粉末置于坩埚中，于马弗炉中300℃～700℃下的厌氧环境中煅烧0.5h～1.5h，马弗炉的升温速度为5℃/min～15℃/min;
b.步骤a的热解反应结束后，待坩埚冷却至室温后取出，并将碳化后的污泥基生物质炭粉碎研磨过100目筛;
c.配置浓度为0.1mol/L～2.0mol/L HCl溶液，将经步骤b处理的污泥基生物质炭浸泡在盐酸溶液中处理8h～16h，且质量体积比为1g:(80～120)mL，之后用蒸馏水洗至中性，于70℃～100℃恒温鼓风干燥箱中烘干，再用研钵研磨并过100目筛储存，即得作为负载基底材料的污泥基生物质炭。
所述步骤(4)具体为：
a.配置250mL浓度为0.01mol/L～0.1mol/L的FeSO4·7H2O溶液，将0.1g～1.5g步骤(3)得到的污泥基生物质炭与所配的FeSO4·7H2O溶液进行超声混合，超声时间为1min～10min，超声频率为40HZ～60HZ，得到混合溶液;
b.调节混合溶液pH为4.0～6.0，并通入N230min～1.5h排除混合溶液中的溶解氧;
c.配置250mL浓度为0.01mol/L～0.2mol/L NaBH4还原剂溶液，在厌氧环境中并在磁力搅拌的条件下，以2mL/min～6mL/min的速度逐滴加入经上述步骤b处理的混合溶液中，滴加完继续在密闭的室温条件下磁力搅拌10min～50min，过滤后分别用100mL～300mL的无水乙醇(使用前先通入N230min～1.5h)洗涤三次，将残渣过滤后于真空干燥箱80℃～110℃下真空干燥，后用研钵研磨并过100目筛，即得到纳米零价铁污泥基生物质炭(NZVI-SBC)。
所述污泥基生物质炭与Fe的质量比为1:(0～2)。
所述FeSO4·7H2O与NaBH4的摩尔比为1:(1～3)。
为实现上述目的，本发明提供一种利用上述方法制备的纳米零价铁污泥基生物质炭。
为实现上述目的，本发明还提供了一种所述纳米零价铁污泥基生物质炭在去除水体中Sb(III)的应用，其方法为：将所述纳米零价铁污泥基生物质炭与含Sb(III)的水体混合，调节混合水体的pH为4～7进行振荡吸附即可。
当吸附剂量为0.05g/L～2.0g/L，水体中Sb(III)初始浓度为10mg/L～200mg/L时，振荡吸附的温度为298K～318K，转速为100r/min～200r/min，时间为3h，对有毒金属Sb(III)的去除率高达96.92%。
上述纳米零价铁污泥基生物质炭中，铁的原子百分数为10.05%～20.55%，质量分数为40.55%～55.05%;所述纳米零价铁污泥基生物质炭的比表面积为40.01m2/g～68.05m2/g;所述的纳米零价铁污泥基生物质炭的孔径为1.12nm～2.51nm;所述的纳米零价铁污泥基生物质炭的平均孔体积为0.001cm3/g～0.015cm3/g。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)本发明制备的纳米零价铁污泥基生物质炭具有磁性好、比表面积大、稳定性高、孔隙结构丰富、表面吸附官能团和吸附位点多、对目标污染物去除能力强等优点。
(2)本发明提供的纳米零价铁污泥基生物质炭的制备方法的成本低、制备简单、操作容易、生产效率高且有利于大规模生产。剩余污泥具有价格低廉、来源广泛等特点，而大量的污泥随意外运、简单填埋或被弃置，不但占用大量土地，还会造成严重的二次污染以及引发新的环境问题，给生态环境带来了隐患。因此，本发明以剩余污泥作为生物质炭的制备原料，让污泥由低价值废物转变成为高使用价值的生物质炭，不但更好地保护环境、节约了能源，而且还从根本上解决了污泥处理处置这一环境难题。由于生产原料污泥的廉价而大大消减生物质炭的生产成本，从而实现了污泥的变废为宝及其资源的循环再利用，为污泥的资源化利用寻求了更有效的途径。
(3)本发明中的纳米零价铁污泥基生物质炭对于吸附去除水体中的Sb(III)，通过离子交换作用，络合作用以及孔道扩散作用有效快速地吸附去除水体中的Sb(III)，具有吸附能力强、吸附效率高、吸附量大、操作简单、处理周期短、易于分离回收等优点，本发明的纳米零价铁污泥基生物质炭对Sb(III)的吸附去除能力较强，最大去除率可达96.92%，去除效果显著高于未负载纳米零价铁的污泥基生物质炭以及其他吸附材料。
