[发明专利]超声活化生物炭及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及生物炭的活化技术和吸附应用领域，公开了一种超声活化生物炭及其制备方法与应用。该方法包括以下步骤：(1)对生物质进行清洗、除杂；(2)对步骤(1)得到的产物分散于水中，并进行超声活化前处理，得到活化生物质；(3)将活化生物质进行干燥后，在惰性气氛的存在下，进行热解反应，得到生物炭；(4)将生物炭分散于水中，并进行超声活化后处理，得到超声活化生物炭。该超声活化生物炭的制备方法具有操作简捷、设备简易、成本低且无二次污染的特点，制得的超声活化生物炭具有多孔结构以及高的比表面积，表面干净，基本无灰分，杂质很少；对含铵工业废水处理中的铵态氮(NHsubgt;4/subgt;supgt;+/supgt;)具有优异的吸附性能，并且吸附饱和后的超声活化生物炭能够作为土壤缓释氮肥施加到农田中。

技术领域

本发明涉及生物炭的活化技术和吸附应用领域，具体涉及一种超声活化 生物炭及其制备方法与应用。

背景技术

铵态氮(NH₄⁺)是氮素的一种重要形式，在自然界氮循环，土壤养分和 微生物代谢中起着重要作用。然而，随着全球经济的快速增长，许多地区的 水体(主要是河流，湖泊等)已受到污染，优良的水资源也面临枯竭的风险； 其中一个重要的表现为：由于化肥在农业生产中的过量使用，铵态氮未被充 分利用，造成面源污染，进而导致地表和地下水污染。此外，诸如化工产品 的生产，垃圾填埋的渗滤液和生活污水中也经常会大量产生含铵废水。因为 氮是水体富营养化的控制因素，过多的向水体中输入高浓度的铵态氮，不仅 会危害人类的健康和动植物的生长，还会减少水资源的价值并增加处理成 本。

目前含铵废水的处理方法中，絮凝法，过滤法和气提法的处理效果不是 很理想，尤其是在分布式水处理系统中；而采用膜分离技术，化学沉降和生 物反硝化技术的水处理运行成本相对较高。相比之下，吸附法由于其成本低， 效率较高，设备简单，操作可靠和最重要的可以回收利用氮资源作为缓释氮 肥等优点而被认为是去除含铵废水的有效方法之一。

吸附剂的选择对吸附法的有效性、成本和回收可利用性都有重要影响。 生物炭(biochar)作为新型低成本高效的吸附剂，其是由生物质在缺氧或无 氧条件下经中高温热裂解得到的一类富含碳素的、稳定的、高度芳香化的固 体黑色产物。虽然生物炭的性质受制备条件的影响较大，但总体而言，生物 炭具有较大的比表面积和多孔结构，且表面富含官能团(即表面电荷和自由 基)，容重小、稳定性高、吸附能力强。加之，生物炭的制备原料来源广泛， 成本低廉，被公认是一种更具环保和成本效益的吸附材料，因而经常在农业 生产、环境修复等领域中广泛推广应用。而且，大量研究证明将生物炭添加 到土壤中，不仅可以增加土壤肥力，提高农作物产量；而且能够有效的吸附 土壤或沉积物中的重金属、农药等多种污染物。同时，生物炭具有较高的化 学稳定性、难以被微生物降解，可以起到固定大气碳素、增汇减排、缓解气 候变化等优势作用。关于生物炭的这些应用价值和研究意义已被许多文献资 料广泛报道。

目前，大量研究表明生物炭的基本特性是可以通过生物质制备过程中的 前处理或后处理，乃至于同时控制前后处理来提升性能的；这种操作常被称 为物理活化或者化学修饰。

目前，对生物炭化学修饰(活化)的技术主要是采用一系列化学试剂进 行长时间的浸泡或洗涤处理，以使某些化学物质进入生物质(或者制备好的 生物炭)中，然后在高温和无氧条件下，将处理后的生物质进行热化学反应， 制备生物炭，进而提升生物炭的理化性能。常见的活化剂包括碱性物质(KOH 和NaOH)，碱土金属(MgCl₂和CaCl₂)，无机盐(FeCl₂和K₂CO₃)和无 机酸(HCl和H₃PO₄)等等。这些化学修饰(活化)法的成本较为昂贵，且 解吸再利用效果较差，处理过程有明显的二次污染痕迹，不够绿色环保，技 术方面也常常表现为活化操作过程较为复杂，对仪器设备的精度需要较高， 需要专业的人员在安全防护下才能进行大规模化工生产。