[发明专利]用于吸附废水中氟化物和镉离子的改性生物炭的制备方法及其应用

说明书

本发明属于生物质应用技术领域，具体涉及一种用于吸附废水中氟化物和镉离子的改性生物炭的制备方法及其应用。以玉米秸秆为原料，将高温隔氧热解后的生物炭和氯化铝溶液混合，调节PH至7.0并维持2小时，然后在25℃恒温振荡24h后用去离子水洗涤至中性，80℃干燥研磨制得铝改性生物炭。本发明利用AlCl3改性玉米秸秆生物炭，通过添加铝离子提高炭材料的吸附性能，制备步骤简单，成本低廉，生产效率高，无需额外添加改性剂，有利于大规模生产，且制备的生物质炭具有较大的生物炭比表面积、较高的吸附效率以及较大的吸附量，能够高效快速的吸附废水中氟化物和镉离子。

技术领域

本发明属于生物质应用技术领域，具体涉及用于吸附废水中氟化物与镉离子的改性生物炭的制备方法及其应用。

背景技术

氟是一种必要的微量营养素元素，但过量摄入氟化物可导致牙氟病和氟骨症等疾病。地方性氟中毒是我国严重的环境问题和健康问题。在典型的高氟地区，当地主要的饮用水源河流中F-浓度超标，2017年造成宁夏107万氟中毒病例。镉(Cd)是一种有毒和致癌的水污染物，由于广泛使用这种金属和采矿活动而存在。2015年约90.4％的Cd排放总量(43.5kg)被排入水中。此外，通过灌溉，F和Cd可以在根茎类蔬菜和农作物中积累，然后被人类消耗。例如，F-和Cd2+联合处理对萝卜的生长和叶片积累表现出负协同效应。减少水中氟化物和镉离子的浓度至关重要。

吸附法被认为是去除F-和Cd2+的优先方法，因为它效率高，成本低。据报道，它是一种可再生、低成本、可持续的吸附剂，对溶液中的Cd2+具有良好的吸附能力。例如，松果生物炭对Cd2+的最大吸附量高达92.7mg L-1。最近，通过各种改性方法，改性生物炭在吸附去除污染物方面显示出了明显的优势，这是由于表面官能团的变化(例如，在生物炭基质中添加氧化官能团，如MgO、Fe2O3和AlOOH)。因此，利用Al改性生物炭吸附和去除氟、镉离子是十分可行的，但这方面的研究还很少。

近几年对生物炭吸附Cd2+的机理进行研究的报道很多。然而，关于原始生物炭或改性生物炭对溶液中F去除的影响及吸附机理的报道很少。有专家发现分散的α-Fe2O3和Fe3O4颗粒引起磁化，在FeCl3改性的生物炭上产生了最多的吸附位点，对氟化物的Langmuir吸附能力提高了9mg g1。同时去除废水中阳离子和阴离子的研究已经取得了很大进展。但在表现出竞争性吸附的多元素系统中，很少关于改性生物炭在Cd2+存在下对F的吸附行为的研究。

综上所述，探究一种高效、安全、操作方便以及环境友好的生物炭改性方法，来获得更高的环境应用价值的炭材料，进一步提高材料对氟和镉的吸附效果，实现经济高效的污染治理具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于吸附废水中氟化物与镉离子的改性生物炭的制备方法及其应用。本发明将高温隔氧热解后的生物炭和氯化铝溶液混合制得的铝改性生物炭，具有较大的生物炭比表面积，提供了丰富的吸附位点，显著提高了生物炭对废水中氟化物和镉离子的吸附能力，具有优良的吸附性能。

本发明采用的技术方案是：一种用于吸附废水中氟化物和镉离子的改性生物炭的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将玉米秸秆风干、粉碎过0.83mm孔径筛，备用。

(2)将玉米秸秆放入管式炉炉中，按10℃/min的升温速度将温度升至350℃，保持120min，待马弗炉冷却至室温，取出炭化产物，磨细过0.25mm孔径筛得到原始生物炭。

(3)将玉米秸秆生物炭AlCl3溶液混合、调节PH至7.0并维持2小时。

(4)然后将混合液在振荡24h后用去离子水洗涤至中性，加热、干燥研磨制得铝改性生物炭。

进一步的，玉米秸秆生物炭与AlCl3溶液的质量体积比1：10(g/mL)。

进一步的，所述步骤(3)中AlCl3溶液浓度为0.6mol/L。