[发明专利]生物炭的制备及其在含铊废水中的应用

说明书

本发明公开了生物炭的制备及其在含铊废水中的应用。所述生物炭是以甘蔗渣、柚子皮或香蕉皮中的一种为材料，经清洗除杂后烘干，研磨破碎，将生物质粉末进行无氧热解反应，冷却后得到。本发明还提供了该生物炭在含铊废水中的应用，即将含铊工业废水的pH调至7～9，调整废水的温度至20～35℃，最后添加该生物炭对废水中的铊离子进行吸附；其中，以质量份数计，废水中的铊和该生物炭的比例为1:150。该生物炭对含铊工业废水中的铊离子具有优异的吸附性能，且制备方法操作简捷、设备简易、成本低。

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，涉及生物炭在污水处理中的应用，具体涉及几种不同生物炭的制备以及其在含铊废水中的应用。

背景技术

随着经济的发展，铊(Tl)作为一种重要的工业材料，在很多领域得到了应用。但在铊开采和冶炼过程中，含铊废水的大量排放对生态环境产生了严重的污染，对人类生活构成了重大威胁。因此，含铊废水的处理和净化已刻不容缓。目前，含锭废水治理技术主要有沉淀法、吸附法、离子交换、溶剂萃取等，其中沉淀法、吸附法的研究工艺较多也较为成熟。

生物炭是指在缺氧条件下生物质热裂解产生的一种产物，属于黑碳的一种。生物炭多为颗粒细致、质地较轻的黑色蓬松状固态物质，主要组成元素为碳、氢、氧、氮等，含碳量多在70％以上。其原料来源广泛，农业废弃物(如鸡粪、猪粪、木屑、秸秆)及工业有机废弃物、城市污泥等都可作为其原料。生物炭具有成为优质吸附材料的独特表面物理化学性质。从微观结构上看，生物炭具有疏松多孔、比表面积大的特点，且生物炭表面官能团包括羧基、酚羟基、酸酐等多种基团，这些特征使生物炭具有良好的吸附特性，能够强烈吸附环境介质中的有机污染物，消减其环境风险。生物炭的制备温度是影响生物炭结构和性质的重要因素，温度会对生物炭孔隙结构、比表面积及吸附特性产生直接影响。

专利CN108435135A公开了一种西瓜皮生物炭的制备方法，包含以下步骤：(1)西瓜皮预处理：将西瓜皮烘干，得西瓜皮粉末；(2)炭化：将步骤(1)所得的西瓜皮粉末在氮气气氛下，在炭化温度为400～600℃下，炭化0.5～1.5h，即得所述西瓜皮生物炭；采用该发明方法制得的西瓜皮生物炭对亚铊离子的吸附效率最高，且工艺简单、制备成本低。本领域普通技术人员易于知晓，生物炭的制备温度、时间以及生物质是影响生物炭结构和性质的重要因素。温度大小、加热时间和生物质的选择均会对生物炭的生物炭孔隙结构、比表面积进而对其吸附特征产生重要影响，而这种影响是不可预知的。

相关研究表明，国内的铊污染已经给饮用水源造成一定的威胁，在境内部分矿山附近下游水域多次检测出铊含量超标(田欢，赵卓，赖莉，等.含铊废水的处理方法的研究现状及发展趋势[J].材料导报，2018，32(23)：4100-4106.)。加强铊废水的监管是必须的，并且得研发推广适用的除铊技术才是根本，找寻一种成本低、效率高的含铊废水的治理方法迫在眉睫。在不同pH值下，溶液中的Tl(Ⅲ)通常以Tl³⁺，TlOH²⁺，Tl(OH)⁺，Tl(OH)₃或Tl(OH)₄^-的形式存在。Tl(Ⅲ)其热力学是不稳定的，有还原为Tl(Ⅰ)的倾向，因此它所稳定存在的区域较小。常规除铊方法虽多，但普遍成本高，效率低，易对环境产生潜在二次污染。生物炭具有高效、经济且环保的特点，制备的生物炭可以有效去除水环境中的铊，从而为生物炭的制备以及重金属铊的吸附提供新的思路。

发明内容

为在水体重金属污染吸附治理中更深入地研发高效、低成本的吸附材料，本发明通过碳热法制备生物炭材料，探讨比较不同原料(甘蔗渣、香蕉皮和柚子皮)制得生物炭在反应pH、反应温度、共存离子等影响因素下对重金属铊的吸附等温线、吸附动力学等吸附特性。并利用FTIR、SEM-EDS、XRD和XPS等表征分析手段探究分析生物炭的介孔吸附、表面络合等对吸附铊效能的影响以及吸附机理。

基于上述目的，本发明提供了生物炭的制备及其在含铊废水中的应用，去除含铊工业废水中的Tl离子。