[发明专利]一种咖啡渣生物炭及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种咖啡渣生物炭及其制备方法和应用，涉及重金属污染技术领域。该咖啡渣生物炭的制备方法为：将咖啡渣进行热解处理，然后与H₂O₂溶液混合改性，即得所述咖啡渣生物炭。制得的该吸附剂对水体中重金属Cd²⁺和Zn²⁺吸附效果显著优于现有吸附材料，同时，本发明的制备方法简单，易于大规模推广应用，进而丰富了咖啡渣的资源再利用途径。

技术领域

本发明属于重金属污染技术领域，特别是涉及一种咖啡渣生物炭及其制备方法和应用。

背景技术

随着工业化的快速发展，大量含有重金属的废水被排放到环境中。这些重金属由于具有较强的迁移性且不可被生物所降解而倾向于在生物体内积累，从而对生态环境和人类健康构成严重威胁。

其中，镉(Cd)因其毒性，污染范围广以及治理难度大而受到广泛关注。Cd是土壤中最主要的重金属污染物，此外，对主要河流的重金属监测结果也显示，Cd是引起生态风险的主要重金属元素。如果长期暴露于Cd环境中，可对人体造成严重且不可逆的损害，如骨质疏松、肾功能衰竭、代谢紊乱、神经系统损伤，甚至诱发癌症等病变。根据WHO的规定，饮用水中Cd²⁺的最高允许浓度上限为1μg/L，因此，需要对工业废水中的Cd含量严格控制。作为镉的同系物，锌(Zn)在调节人体生理生化过程中发挥着重要作用。然而，过多的锌也会导致严重的胃痉挛、皮肤刺激、呕吐、恶心和贫血等。此外，由于锌的生物富集效果，其毒性会通过生物链的传输进一步放大。有鉴于此，如何高效去除工业废水中重金属，尤其是镉和锌，是当前亟待解决的技术难题。

传统的重金属去除方法，如溶剂萃取、离子交换、膜过滤和电化学处理等，大多由于其制备和应用成本较高而难以大规模推广。相比较之下，吸附法因其具有去除效率高、应用成本低且制备方法简单而被认为是最有前途的方法。尤其作为新型吸附材料的生物炭，具有制备材料来源广泛，制备方法简单的特点而在近年来得到较大的发展。

生物炭是生物质在无氧条件下经过高温裂解而产生的黑色固体物质，因为孔隙结构发达，矿物成分丰富且表面官能团种类多而对污染物有较强的吸附能力。已有研究发现以海藻为原料制备的生物炭能够对水体中的Cu²⁺达到90％以上的去除效果。此外，用刺槐树枝和榴莲壳制备的生物炭对水体中Cd²⁺的吸附量高达11.37和37.64mg/g，能够有效去除水体中的重金属污染物。

作为世界上最主要的饮料之一，全球咖啡年产量超过9900吨(2020年)。与此同时，咖啡的生产加工过程中也产生了大量的咖啡渣，而目前只有部分的咖啡渣被用于制备堆肥和牲畜饲料等进行资源化利用，其他大部分都是进行填埋和焚烧处理，而这种处理方式不仅需要消耗大量氧气，不符合节能减排的发展方向，也使得咖啡渣作为一种潜在资源没有得到很好的利用。

发明内容

本发明的目的是提供一种咖啡渣生物炭及其制备方法和应用，以解决上述现有技术存在的问题，从而为咖啡渣的资源化利用提供一种新的途径，并为工业废水中的重金属Cd²⁺和Zn²⁺的去除提供一种高吸附性能材料。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种咖啡渣生物炭的制备方法，包括以下步骤：

将咖啡渣进行热解处理，然后与H₂O₂溶液混合改性，即得所述咖啡渣生物炭。

进一步地，所述热解温度为300-700℃，热解时间为30-210min。

进一步地，所述热解过程为无氧环境。

进一步地，所述H₂O₂溶液的质量浓度为5-20％。