[发明专利]一种多孔生物炭及其合成方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，涉及生物炭物理吸附法处理污水，具体涉及一种以CaCO₃微粉作为造孔剂耦合模板剂自活化与纳米铸造作用合成多孔生物炭(CaCO₃-BC)的新方法。本发明还介绍了所述多孔生物炭在染料与重金属污染水体治理中的应用。

背景技术

生物炭(Biochar)是生物质在低氧或是缺氧条件下通过热解得到的一种产物，属于黑炭的一种。生物炭具有高度发达的空隙，表面含有大量电荷和丰富的官能团，如-OH、-COOH、酸酐、酚羟基、含氧官能团等，当生物炭与水体中的有机或是无机污染物质接触时，可以通过氢键或是偶极作用、表面络合作用形成稳定的物质。由于生物炭的这些物理化学特性，因而是一种优良的吸附剂，常用于去除水中有机或无机污染物。

生物炭制备过程可以分为炭化和活化，炭化是指在低氧环境下将生物质高温裂解，其目的是将原料中的氢、氧等非碳元素以挥发分(气体)的形式逸出，留下炭骨架和灰分。生物炭制备的关键工艺在于第二步的活化，活化的目的是增大活性炭的比表面积，使活性炭表面形成较多发达的孔隙，增大活性炭的吸附位点，从而提高活性炭的吸附能力。从生物炭活化方式的角度，生物炭制备可以分为直接炭化法、物理活化法、化学活化法、物理化学联合活化、微波加热法以及模板造孔等方式。

在生物炭制备的研究领域，化学活化法是经常用到的用于增大生物炭孔隙度的方式，但是化学活化方式由于用到一些腐蚀性试剂，会对环境造成危害并且会腐蚀设备，生产出来的生物炭中残留部分活化剂药品，因而不利于推广。

微波加热法制备生物炭虽然能够节约能耗，但是微波炭化的不足之处在于物料的反应温度不能够精确的控制，并且过量的微波辐射对人体的身体健康有损害作用，因而对于微波法的实际应用仍有待研究。

目前，工业上多采用水蒸气物理活化法制备高比表面积的炭吸附材料。该方法通常分两步，首先在较低温度下原料脱水脱气，在温度升高到一定时热解产生焦油和甲醇等，此时形成一部分孔，然后在第一步的基础上进行第二步扩孔，将细孔表面的炭进行气化，开发新的孔隙，同时去除避免的有机物质。物理活化法制备生物炭不产生污染物质，但是需要较长的活化时间，炭产率低，比表面积小，中孔不发达。

相关研究发现，利用模板剂可以制备多孔、高比表面积的催化或吸附材料。模板法(模板造孔)制备的生物炭通常具有形状固定的多孔结构模板法的原理是用一种具有特殊的空隙结构的材料作为合成模板，导入目标材料或者是前驱体并使之在该模板材料的空隙中发生反应，并利用模板剂的限制作用达到调控制备过程中物化反应的目的，最终可以得到微观和宏观结构可控的新材料。简言之，利用模板剂制备多孔材料的原理是利用一些有机或无机的介孔材料提供骨架与目标物质相结合，在处理过后脱去骨架即可得到多孔材料。模板法制备的材料最主要的特点是结构可控性，材料的结构和孔大小由模板剂决定。目前模板主要分为有机模板和无机模板，常用的模板有表面活性剂、氧化物、硫酸盐、硅凝胶、层状氢氧化物、海泡石及黏土、和沸石等。

发明内容

本发明针对采用物理活化法、化学活化法、微波加热法制备生物炭的技术缺陷，结合当前利用模板剂生物炭的研究进展，首次提出以CaCO₃微粉作为造孔剂耦合模板剂自活化与纳米铸造作用合成多孔生物炭(CaCO₃-BC)的新方法。本发明为耦合纳米铸造与模板剂自活化法制备多孔生物炭提供了技术指导，同时为废生物质制备多孔生物炭奠定了技术基础。

本发明所述多孔生物炭(CaCO₃-BC)，以面粉作为模拟生物质原料，以CaCO₃微粉作为造孔剂耦合模板剂自活化与纳米铸造作用合成。

作为合成所述多孔生物炭的优选方式之一，作为模拟生物质原料的面粉选用组分单一的面粉。

结合模板法(模板造孔)制备生物炭的原理描述，本发明所述多孔生物炭(CaCO₃-BC)的合成方法主要分为三个步骤：第一步，将有机碳源导入模板的孔隙中，得到成型的碳源-模板剂复合物；第二步，将第一步的复合物经过炭化处理后得到炭-模板剂复合物；最后一步是通过一定的物理化学方法将模板从生物炭中分离，并收集生物炭。具体而言，本发明所述多孔生物炭(CaCO₃-BC)的合成方法可以描述为：

步骤1)：分别称取一定量的面粉生物质和碳酸钙微粉，经烘干后置于干燥环境中冷却至室温，备用；