[发明专利]制备磁性生物炭复合材料的方法和系统

说明书

技术领域

本发明属于化工领域，具体而言，本发明涉及制备磁性生物炭复合材料的方法和系统。

背景技术

生物炭是生物质在缺氧或绝氧环境中，经高温热裂解后生成的固态产物，因具有多孔结构、比表面积高、孔容大、耐酸碱腐蚀、官能团丰富等固有特性，被广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等领域。然而，由于生物炭颗粒直径小，处理污水后难以回收，生物炭处理污水主要依靠自身的吸附性能，若使用后的生物炭不能被及时取出，吸附在生物炭微孔内部的污染物有可能会解析出来重新进入水体造成二次污染，因此限制了生物炭在废水处理中的实际应用。目前主要依靠过滤的手段分离水体中的生物炭，但此法容易引起滤网的堵塞或生物炭的流失。因此，用于污水处理的生物炭有待进一步研究。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出制备磁性生物炭复合材料的方法和系统。本发明提出的制备磁性生物炭复合材料的方法不仅生产效率高且能耗低、适用于各种生物质原料，而且采用该方法制备得到的磁性生物炭复合材料具有较好的稳定性、磁性和较强的吸附能力，且易于与水体分离，在污水处理方面具有较好的应用前景。

本发明是基于以下问题提出的：

为了解决生物炭难以从溶液中分离的问题，有在生物炭中引入磁性介质来实现固液分离的方法，然而，发明人发现，现有技术中将生物炭与磁性介质进行结合普遍存在磁性生物炭的生产效率低、生物炭与磁性介质的结合性较差、磁性介质在生物炭上的分布不均匀、生产成本较高等问题。

为此，根据本发明的一个方面，本发明提出了一种制备磁性生物炭复合材料的方法，包括：

(1)将生物质原料进行热解处理，以便得到高温油气和生物炭；

(2)利用水蒸气对所述生物炭进行活化处理，以便得到活性生物炭；

(3)将所述活性生物炭进行破碎处理，以便得到活性生物炭粉末；

(4)配制含有三价铁盐和二价铁盐的混合溶液，并将所述活性生物炭粉末浸渍在所述混合溶液中；

(5)向步骤(4)所得混合物中加入碱液，以便发生沉淀反应生成四氧化三铁并负载在所述活性生物炭粉末中；

(6)将步骤(5)所得产物进行过滤、清洗和烘干，以便获得所述磁性生物炭复合材料。

根据本发明上述实施例的制备磁性生物炭复合材料的方法，首先对生物质原料进行热解处理和活化处理，可以有效制备得到生物炭并显著提高生物炭的比表面积、孔隙率和吸附能力；然后将活性生物炭破碎后与含有三价铁盐和二价铁盐的混合溶液充分混合，再加入碱液，可以使反应生成的四氧化三铁稳定的负载在活性生物炭的表面及孔结构中，并显著增强活性生物炭的磁性；最后经过过滤、清洗和烘干，得到磁性生物炭复合材料。由此，通过采用本发明上述实施例的制备磁性生物炭复合材料的方法，不仅可以制备得到具有较好稳定性和较强吸附能力的磁性生物炭复合材料，还能有效回收生物质原料中的高温油气，同时还能显著提高磁性生物炭复合材料的生产效率并降低生产成本，且将制备得到的磁性生物炭复合材料用于污水处理时，不仅可以显著提高对污染物的吸附效率，还能使吸附污染物后的磁性生物炭复合材料在外部磁场下被吸出，进而解决生物炭难于与水体分离的问题。

另外，根据本发明上述实施例的制备磁性生物炭复合材料的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，制备磁性生物炭复合材料的方法进一步包括：(7)将所述高温油气进行冷凝和分离处理，以便得到生物油、生物醋液和生物燃气，并将所述生物燃气作为热源用于所述热解处理和所述水蒸气的制备。由此，不仅可以进一步提高生物质原料的综合利用率，还能进一步降低生产成本。

在本发明的一些实施例中，所述生物质原料的含水率不高于10重量％。由此，可以进一步提高对生物质原料进行热解处理的效率，并显著降低热解处理所需的能耗。

在本发明的一些实施例中，所述活性生物炭粉末的平均粒径为0.1-1.0mm。由此，可以使活性生物炭具有更大的比表面积，进而能够显著提高活性生物炭对磁性四氧化三铁的负载能力以及活性生物炭对污染物的吸附能力。

在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，所述热解处理的温度为450-850摄氏度，所述热解处理的时间为1-3小时。由此，可以使生物质原料充分热解，并得到高温油气和生物炭。