本發(fā)明屬于水處理領(lǐng)域，具體涉及一種榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程加快，人類面臨著越來越嚴(yán)重的水資源短缺和污染問題。據(jù)資料顯示，我國600多個城市中有一半左右的城市缺水，水污染造成的功能性缺水更使水資源短缺雪上加霜。據(jù)統(tǒng)計，全國75%的湖泊出現(xiàn)了不同程度的富營養(yǎng)化；90%的城市水域污染嚴(yán)重，南方城市總?cè)彼康?0%---70%是由于水污染造成的。水污染降低了水體的使用功能，加劇了水資源短缺，嚴(yán)重影響了我國經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
生物炭是生物質(zhì)材料在缺氧或限氧條件下熱解，去除生物質(zhì)中的油和氣后剩下的固體物質(zhì)。相關(guān)研究表明，生物炭具有巨大的表面積和內(nèi)部空隙，具有負(fù)電荷多、離子交換能力強(qiáng)、吸附性能優(yōu)異等特點，不僅能直接吸附污染物質(zhì)，施入土壤后還可改善土壤理化性質(zhì)、減少養(yǎng)分流失、促進(jìn)作物生長、吸附固定土壤污染物質(zhì)，并能增加土壤碳庫，減少溫室氣體排放。生物炭利用研究現(xiàn)已成為環(huán)境和農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點之一。制備生物炭的原料來源十分廣泛，農(nóng)田廢棄物、生活垃圾、牲畜糞便等均可作為制備生物炭的原料，但不同生物質(zhì)原料和熱解溫度制備的生物炭結(jié)構(gòu)差異較大，對污染物質(zhì)的吸附性能也各不相同，這也是近年來相關(guān)學(xué)者還在繼續(xù)從事生物碳制備、改性方面研究的關(guān)鍵原因。此外，現(xiàn)有生物碳制備研究中多以單一原料制備生物碳，以混合物料制備生物碳的研究較少，尤其缺乏有目的性對生物質(zhì)原料進(jìn)行優(yōu)化組合以制備高吸附性能生物碳方面的研究。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的第一個目的在于提供一種榛子殼、開心果殼生物碳的制備方法。
本發(fā)明的第二個目的在于提供一種榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑的制備方法。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)措施實現(xiàn)的：
一種榛子殼、開心果殼生物碳的制備方法，其特征在于，所述生物炭是由榛子殼和開心果殼按下列方法制得：（1）取榛子殼、開心果殼分別粉碎過20～200目篩，備用；（2）將上述粉碎后的榛子殼、開心果殼按質(zhì)量比為1～10：1混合，再加入混合催化劑溶液，混合催化劑溶液的配制方法為取榛子殼、開心果殼粉末總質(zhì)量1%的質(zhì)量比Co(NO3)2·6H2O: Zr(NO3)4·3H2O=5:3的混合催化劑，加入混合催化劑10倍量的水溶解制得混合催化劑溶液，密封靜置24h；（3）將上述生物質(zhì)置于樣品舟中，通入氮氣使管式馬弗爐中樣品舟氣壓達(dá)到0-3MPa，密閉熱解，待反應(yīng)結(jié)束冷卻至室溫取出；所述熱解分為低溫?zé)峤夂透邷責(zé)峤鈨蓚€過程，低溫?zé)峤膺^程是先將溫度升高至100-300℃，熱解30-120min，高溫?zé)峤膺^程是繼續(xù)升溫至300-800℃，熱解60-200min，升溫速度為5-15℃/min；（4）將上述制備的生物碳與5倍生物碳質(zhì)量的體積濃度為1~20%的H2O2混勻，質(zhì)量體積比為生物碳：H2O2=1:5，在振蕩器中震蕩12h取出，用蒸餾水洗凈后烘干，即獲得高吸附性能生物碳。
進(jìn)一步，為了提高生物碳的吸附性能，使得生物碳的穩(wěn)定性更好，空隙結(jié)構(gòu)更好，一種榛子殼、開心果殼生物碳的制備方法，其特征在于，所述榛子殼、核桃殼質(zhì)量比例優(yōu)選為1：3，榛子殼、開心果殼粉碎過篩目數(shù)優(yōu)選為100目，所述通入氮氣使管式馬弗爐中樣品舟氣壓優(yōu)選為1.5MPa，所述低溫?zé)峤鉁囟葍?yōu)選為150℃，熱解時間為60min，所述高溫?zé)峤鉁囟葍?yōu)選為600℃、熱解時間優(yōu)選為120min，所述H2O2體積濃度優(yōu)選為10%。
一種榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑的制備方法，其特征在于，它是按下列步驟制得：
A.電氣石處理：
A1.將收集的電氣石粉碎過20～500目篩；
A2. 將粉碎后的電氣石粉用濃度為0.1-10.0mol/L的硝酸溶液浸泡12h，質(zhì)量體積比為電氣石粉：硝酸溶液=1:10，取出；
A3.將上述預(yù)處理過的電氣石粉放入管式馬弗爐中，于800℃條件下煅燒2h，取出備用；
B.榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑制備：
B1.將榛子殼、開心果殼生物碳和經(jīng)過預(yù)處理的電氣石粉末混合備用；
B2.將聚乙烯醇和海藻酸鈉混合，加熱10~25min使溶解，隨即加入電氣石粉和制備的榛子殼、開心果殼生物碳攪拌均勻成懸浮液，所述海藻酸鈉：聚乙烯醇：電氣石：榛子殼、開心果殼生物碳質(zhì)量比為1:1~10:1~12:1~20，冷卻10～60min后用恒流泵以恒定流速連續(xù)地將懸浮液滴到質(zhì)量百分含量為1~10%CaCl2的硼酸溶液中固化，質(zhì)量體積比為懸浮液：CaCl2的飽和硼酸溶液=1:10，固化時間為5~40 h，后濾出制得復(fù)合微球，用水沖洗干凈后晾干備用；
B3.將上述制備的復(fù)合微球置于管式馬弗爐中，設(shè)置溫度為50~600℃、壓強(qiáng)為1~3MPa的環(huán)境下灼燒30~120 min，取出，即獲得榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑。
為了使得上述吸附劑在水中懸浮性能更好、分布更均勻，一種榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑的制備方法，其特征在于：A1步驟中電氣石粉碎過篩進(jìn)一步優(yōu)化為100目篩；A2步驟中所述硝酸濃度進(jìn)一步優(yōu)選為3mol/L；B2步驟中聚乙烯醇和海藻酸鈉混合后加熱溶解時間進(jìn)一步優(yōu)選為15min，海藻酸鈉：聚乙烯醇：電氣石：榛子殼、開心果殼生物碳質(zhì)量比為優(yōu)選為1：5：8：15，制成懸浮液后冷卻時間進(jìn)一步優(yōu)選為30min，CaCl2的硼酸溶液的質(zhì)量百分含量進(jìn)一步優(yōu)選為2%，固化時間進(jìn)一步優(yōu)選為15h。
進(jìn)一步，B3步驟中管式馬弗爐中設(shè)置溫度優(yōu)選為150℃，壓強(qiáng)優(yōu)選為1.5 MPa，灼燒時間優(yōu)選為60min。
本發(fā)明具有如下的有益效果：
本發(fā)明利用榛子殼、開心果殼混合熱解制備高吸附性能的生物碳，在此基礎(chǔ)之上制備榛子殼、開心果殼/電氣石復(fù)合微球，可進(jìn)一步促進(jìn)廢棄物質(zhì)的資源化利用，實現(xiàn)以廢治廢的目的。將榛子殼、開心果殼混合制備生物碳，可確保制備的生物碳的吸附性能，提高生物碳的凈化效果。凈化實驗結(jié)果表明，生物碳對水中鉻、鉛、亞甲基藍(lán)的去除率可高達(dá)82.7%、81.4%、86.3%，吸附劑對水中鉻、鉛、亞甲基藍(lán)的去除率可高達(dá)84.1%、83.2%、87.3%。利用SA3100型比表面積及孔徑分析儀對制備生物碳的比表面積和孔徑進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明生物炭相關(guān)參數(shù)優(yōu)異，本發(fā)明制備的生物炭比表面積、微孔體積以及總孔體積分別可達(dá)249.7m2/g、0.1305cm3/g、0.2834cm3/g。
具體實施方式
下面通過實施例對本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，有必要在此指出的是以下實施例只用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)上述發(fā)明內(nèi)容對本發(fā)明作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
實施例1
一、一種榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑及其制備方法，按如下步驟制得：
1、生物質(zhì)原料預(yù)處理
將收集的榛子殼、開心果殼碎過篩20目篩。
2、制備方法
（1）將上述粉碎后的榛子果殼、開心果殼按質(zhì)量1：1比例混勻（榛子殼100g，開心果殼100g），再加入質(zhì)量比Co(NO3)2·6H2O: Zr(NO3)4·3H2O=5:3的混合催化劑溶液（取混合催化劑2g，加入20ml水溶解制得混合催化劑溶液），密封靜置24h。
（2）將上述處理過的生物質(zhì)原料置于管式馬弗爐中的樣品舟，通入氮氣使樣品舟中大氣壓達(dá)到1.5MPa，以10℃/min的升溫速度升溫至200℃條件下熱解60min，再升溫至500℃條件下熱解120min。熱解反應(yīng)結(jié)束后，待冷卻至室溫后取出。
（3）將上述制備的生物碳與濃度為10%的H2O2混勻（質(zhì)量體積比為生物碳：H2O2=1:5），在振蕩器中以400r/min速度震蕩24h取出，用蒸餾水洗凈烘干，即獲得高吸附性能生物碳。
（4）將粉碎過20目篩的電氣石用3mol/L的硝酸浸泡12小時（電氣石100g，硝酸1000ml），取出置于管式馬弗爐中，于800℃條件下煅燒2h，取出備用。
（5）將聚乙烯醇和海藻酸鈉混合（聚乙烯醇10g、海藻酸鈉10g），加熱溶解15min，隨即加入電氣石粉和制備的生物碳攪拌均勻，所述海藻酸鈉：聚乙烯醇：電氣石：生物炭質(zhì)量比為1：1：1：1，冷卻10min后用恒流泵以恒定流速連續(xù)地將懸浮液滴到含2%（以質(zhì)量百分含量計）的CaCl2的飽和硼酸溶液中固化（質(zhì)量體積比懸浮液：CaCl2的飽和硼酸溶液=1:10），固化時間為5h，取出，用水沖洗干凈后晾干備用；
（6）將上述制備的復(fù)合微球置于管式馬弗爐中于150℃、1.5MPa下灼燒60 min，制備成榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑。
將制得的榛子殼、開心果殼生物碳用SA3100型比表面積及孔徑分析儀對比表面積和孔徑進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明生物炭比表面積、微孔體積以及總孔體積分別可達(dá)230.1m2/g、0.1121cm3/g、0.2317cm3/g。
二、將上述制得的榛子殼、開心果殼生物碳和榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑分別進(jìn)行凈化處理廢水
取100mL濃度為100.0mg/L的自制含鉻廢水于250ml燒杯中，加入1.0014g的自制的榛子果殼、開心果殼生物碳（調(diào)節(jié)溶液初始pH為6，背景電解質(zhì)NaNO3濃度0.01mol/L），在20℃條件下以200r/min震蕩3h，取出以4000r/min離心20min，測定水中鉻的含量，通過計算即可得出榛子殼、開心果殼生物碳對廢水中鉻的去除率，另取自制榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑1.0474g，同法實驗，通過計算即可得出榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑對廢水中鉻的去除率，實驗結(jié)果附后。
取100mL濃度為100.0mg/L的自制含鉛廢水于250ml燒杯中，加入1.0107g的自制的榛子殼、開心果殼生物碳（調(diào)節(jié)溶液初始pH為6，背景電解質(zhì)NaNO3濃度0.01mol/L），在20℃條件下以200r/min震蕩3h，取出以4000r/min離心20min，測定水中鉛的含量，通過計算即可得出榛子殼、開心果殼生物碳對廢水中鉛的去除率，另取自制榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑1.0014g，同法實驗，通過計算即可得出榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑對廢水中鉛的去除率，實驗結(jié)果附后。
取100mL濃度為100.0mg/L的自制亞甲基藍(lán)廢水于250ml燒杯中加入1.0014g自制的榛子殼、開心果殼生物碳（調(diào)節(jié)溶液初始pH為6，背景電解質(zhì)NaNO3濃度0.01mol/L），在20℃條件下以200r/min震蕩3h，取出以4000r/min離心20min，測定水中亞甲基藍(lán)含量，通過計算即可得出榛子殼、開心果殼生物碳對水中亞甲基藍(lán)的去除率。另取自制榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑1.0046g，同法實驗，通過計算即可得出榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑對廢水中亞甲基藍(lán)的去除率，實驗結(jié)果附后。
三、實驗結(jié)果
1、對鉻的去除
榛子殼、開心果殼生物碳對鉻的去除率為79.1%，榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑對鉻的除去率為82.5%。
2、對鉛的去除
榛子殼、開心果殼生物碳對鉛的去除率為78.9%，榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑對鉛的除去率為82.1%。
3、對亞甲基藍(lán)的去除
榛子殼、開心果殼生物碳對亞甲基藍(lán)的去除率為83.1%，榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑對亞甲基藍(lán)的除去率為84.3%。
實施例2
一、一種榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑，按如下步驟制得：
1、生物質(zhì)原料預(yù)處理：將收集的榛子殼、開心果殼碎過篩100目篩。
2、制備方法
（1）將上述粉碎后的榛子果殼、開心果殼按質(zhì)量比1：3比例混勻（榛子殼50g、開心果殼100g），再加入質(zhì)量比Co(NO3)2·6H2O: Zr(NO3)4·3H2O=5:3的混合催化劑溶液（取混合催化劑1.5g，加入15ml水溶解制得混合催化劑溶液），密封靜置24h。
（2）將上述處理過的生物質(zhì)原料置于管式馬弗爐中的樣品舟，通入氮氣使樣品舟中大氣壓達(dá)到1.5MPa，以10℃/min的升溫速度升溫至150℃條件下熱解60min，再升溫至600℃條件下熱解120min。熱解反應(yīng)結(jié)束后，待冷卻至室溫后取出。
（3）將上述制備的生物碳與濃度為10%的H2O2混勻（質(zhì)量體積比為生物碳：H2O2=1:5），在振蕩器中以400r/min速度震蕩24h取出，用蒸餾水洗凈烘干，即獲得高吸附性能生物碳。
（4）將粉碎過100目篩的電氣石用3mol/L的硝酸浸泡12小時（電氣石100g，硝酸1000ml），取出置于管式馬弗爐中，于800℃條件下煅燒2h，取出備用。
（5）將聚乙烯醇和海藻酸鈉混合（聚乙烯醇60g、海藻酸鈉10g），加熱溶解15min，隨即加入電氣石粉和制備的生物碳攪拌均勻，所述海藻酸鈉：聚乙烯醇：電氣石：生物炭質(zhì)量比為1：5：8：15，冷卻60min后用恒流泵以恒定流速連續(xù)地將懸浮液滴到含2%（以質(zhì)量百分含量計）的CaCl2的飽和硼酸溶液中固化（質(zhì)量體積比懸浮液：CaCl2的飽和硼酸溶液=1:10），固化時間為40h，取出，用水沖洗干凈后晾干備用；
（6）將上述制備的復(fù)合微球置于管式馬弗爐中于150℃、1.5MPa下灼燒60 min，制備成榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑。
將制得的榛子殼、開心果殼生物碳用SA3100型比表面積及孔徑分析儀對比表面積和孔徑進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明生物炭比表面積、微孔體積以及總孔體積分別可達(dá)249.7m2/g、0.1305cm3/g、0.2834cm3/g。。
二、將上述制得的榛子殼、開心果殼生物碳和榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑分別進(jìn)行凈化處理廢水（實驗方法見實施1）
三、實驗結(jié)果
1、對鉻的去除
榛子殼、開心果殼生物碳用量為1.0041g，榛子殼、開心果殼生物碳對鉻的去除率為82.7%，榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑用量為1.0578g，榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑對鉻的除去率為84.1%。
2、對鉛的去除
榛子殼、開心果殼生物碳用量為1.0013g，榛子殼、開心果殼生物碳對鉛的去除率為81.4%，榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑用量為1.0414g，榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑對鉛的除去率為83.2%。
3、對亞甲基藍(lán)的去除
榛子殼、開心果殼生物碳用量為1.0001g，榛子殼、開心果殼生物碳對亞甲基藍(lán)的去除率為86.3%，榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑用量為1.0244g，榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑對亞甲基藍(lán)的除去率為87.3%。
實施例3
一、一種榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑，按如下步驟制得：
1、生物質(zhì)原料預(yù)處理：將收集的榛子殼、開心果殼碎過篩200目篩。
2、制備方法
（1）將上述粉碎后的榛子殼、開心果殼按質(zhì)量比1：10比例混勻（榛子殼10g，開心果殼100g），再加入質(zhì)量比Co(NO3)2·6H2O: Zr(NO3)4·3H2O=5:3的混合催化劑溶液（取混合催化劑1.1g，加入11ml水溶解制得混合催化劑溶液），密封靜置24h。
（2）將上述處理過的生物質(zhì)原料置于管式馬弗爐中的樣品舟，通入氮氣使樣品舟中大氣壓達(dá)到1.5MPa，以10℃/min的升溫速度升溫至200℃條件下熱解60min，再升溫至600℃條件下熱解120min。熱解反應(yīng)結(jié)束后，待冷卻至室溫后取出。
（3）將上述制備的生物碳與濃度為10%的H2O2混勻（質(zhì)量體積比為生物碳：H2O2=1:5），在振蕩器中以400r/min速度震蕩24h取出，用蒸餾水洗凈烘干，即獲得高吸附性能生物碳。
（4）將粉碎過100目篩的電氣石用3mol/L的硝酸浸泡12小時（電氣石100g，硝酸1000ml），取出置于管式馬弗爐中，于800℃條件下煅燒2h，取出備用。
（5）將聚乙烯醇和海藻酸鈉混合（聚乙烯醇100g、海藻酸鈉10g），加熱溶解15min，隨即加入電氣石粉和制備的生物碳攪拌均勻，所述海藻酸鈉：聚乙烯醇：電氣石：生物炭質(zhì)量比為1：5：12：20，冷卻30min后用恒流泵以恒定流速連續(xù)地將懸浮液滴到含2%（以質(zhì)量百分含量計）的CaCl2的飽和硼酸溶液中固化（質(zhì)量體積比懸浮液：CaCl2的飽和硼酸溶液=1:10），固化時間為15h，取出，用水沖洗干凈后晾干備用；
（6）將上述制備的復(fù)合微球置于管式馬弗爐中于150℃、1.5MPa下灼燒60 min，制備成榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑。
將制得的榛子殼、開心果殼生物碳用SA3100型比表面積及孔徑分析儀對比表面積和孔徑進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明生物炭比表面積、微孔體積以及總孔體積分別可達(dá)232.5m2/g、0.1204cm3/g、0.2351cm3/g。
二、將上述制得的榛子殼、開心果殼生物碳和榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑分別進(jìn)行凈化處理廢水（實驗方法見實施1）
三、實驗結(jié)果
1、對鉻的去除
榛子殼、開心果殼生物碳用量為1.0125g，榛子殼、開心果殼生物碳對鉻的去除率為79.1%，榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑用量為1.0024g，榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑對鉻的除去率為83.7%。
2、對鉛的去除
榛子殼、開心果殼生物碳用量為1.0012g，榛子殼、開心果殼生物碳對鉛的去除率為78.6%，榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑用量為1.0014g，榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑對鉛的除去率為82.1%。
3、對亞甲基藍(lán)的去除
榛子殼、開心果殼生物碳用量為1.0127g，榛子果殼、開心果殼生物碳對亞甲基藍(lán)的去除率為82.3%，榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑用量為1.0154g，榛子殼、開心果殼/電氣石吸附劑對亞甲基藍(lán)的除去率為85.1%。