本發(fā)明涉及一種磁性牛毛基生物質(zhì)活性炭及其制備方法和應(yīng)用，屬于可再生資源開發(fā)利用和吸附材料制備。

背景技術(shù)：

1、活性炭因其高比表面積，優(yōu)異的吸附性能以及良好的生物相容性而被廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。然而，常規(guī)活性炭在使用后的分離和回收過程中存在困難，磁性活性炭的出現(xiàn)為解決這一問題提供了新的思路。牛毛作為一種豐富的生物質(zhì)廢棄物，富含大量碳元素，具有成為活性炭原料的潛力。將牛毛轉(zhuǎn)化為磁性活性炭不僅能夠?qū)崿F(xiàn)動物廢棄物資源的轉(zhuǎn)化，還能為水質(zhì)處理以及水資源的保護(hù)提供一種高效、低成本、易回收的吸附材料。

2、發(fā)明人首先對毛發(fā)基活性炭的相關(guān)研究也進(jìn)行了檢索。在論文方面，2017年ahmed等人采用高溫爐炭化法制備人發(fā)衍生的高比表面積多孔碳材料（bioresourcetechnology,2017,243,?778-784）；2020年sani等利用雞毛和蛋殼合成吸附重金屬離子的新型磁化活性炭(bioresourcetechnology,?2020,?297)；2021年seyed等以人發(fā)為碳前驅(qū)體，制備平均孔徑為2.42?nm的介孔活性炭，對ni2+的平均吸附率在0.828～8.917?mg/g之間(current?opinion?in?green?and?sustainable?chemistry,?2021,?4:?100141)。其次，發(fā)明人也對磁性活性炭相關(guān)的研究進(jìn)行了檢索，論文方面，天津科技大學(xué)朱光耀的碩士研究論文利用黑葉木質(zhì)素和芬頓污泥混合一步法制備了磁性活性炭，并對其磁性機(jī)制進(jìn)行了探究；在專利方面，申請?zhí)枮?02210697481.0的發(fā)明將預(yù)炭化的豆餅和草酸鐵鉀進(jìn)行煅燒處理，產(chǎn)物進(jìn)行水洗、磁鐵分離和干燥后得到磁性活性炭。申請?zhí)枮?02310582060.8的發(fā)明利用油泥和脫硫灰制備磁性活性炭粉末的方法。上述研究中，磁性活性炭的制備以植物炭為前驅(qū)碳材料，毛發(fā)類活性炭還未有磁化類產(chǎn)品。同時(shí)，毛發(fā)類活性炭的比表面積和吸附效果，以及磁化后的植物類活性炭的吸附效果均未達(dá)到理想的效果。

3、此外，發(fā)明人還對磁性活性炭制備過程中的賦磁過程進(jìn)行了總結(jié)。例如，共沉淀法通過調(diào)節(jié)溶液的ph值，使鐵離子在活性炭表面共沉淀生成磁性氧化物，從而簡化了操作流程。溶膠-凝膠法通過控制溶液的反應(yīng)條件生成均勻分布的納米磁性顆粒，為材料提供了一種更精確的制備方法。機(jī)械混合法通過物理混合，使磁性納米顆粒均勻附著在活性炭表面，方便快捷，適合快速量產(chǎn)。相關(guān)工作中，zhu等人使用fenton鐵泥作為磁材料的前驅(qū)體，通過800?℃的管式爐進(jìn)行高溫?zé)峤?，一步法制備出磁性活性?journal?of?environmentalchemical?engineering,?2021,?9,?106538)。與傳統(tǒng)活性炭制備方法相比，該工藝在高溫碳化過程中能夠使混合物中的鐵化合物原位生成磁性納米顆粒，成功實(shí)現(xiàn)了材料的磁化。然而，該方法制得的純活性炭bet值為1992?m2/g，而磁性活性炭的bet值為1099?m2/g。摻入fenton會導(dǎo)致磁性活性炭的孔隙和碳壁坍塌，同時(shí)鐵基顆粒會阻塞孔隙，從而導(dǎo)致孔隙率和孔容的下降。因此，需要進(jìn)一步優(yōu)化，以制備具有更高比表面積的磁性活性炭。本發(fā)明采用兩步法進(jìn)行制備，首先獲得的純活性炭bet值為922?m2/g，然后在此基礎(chǔ)上摻雜fenton鐵泥進(jìn)行高溫反應(yīng)，得到的磁性活性炭bet值為2632?m2/g。此方法通過將活化和磁化過程分開，成功避免了活化劑與磁化劑發(fā)生反應(yīng)引起的孔隙率下降，同時(shí)，磁化過程進(jìn)一步促進(jìn)了孔隙的擴(kuò)展與形成，并制備出更細(xì)的鐵基顆粒，從而避免了孔隙阻塞的問題，大幅提高了磁性活性炭的孔隙率。成功兼顧了磁性活性炭的高孔隙率與磁性顆粒的共存。

4、牦牛毛是西北地區(qū)畜牧業(yè)固廢物之一，牦牛毛固廢物的大量存放和火化處理會造成環(huán)境污染。鑒于此，本發(fā)明提出利用活化賦磁相結(jié)合的方式，以牦牛毛為碳源，制備磁性牦牛毛基生物質(zhì)活性炭，有利于牦牛毛固廢物的可持續(xù)利用；同時(shí)能夠?qū)⑵溆糜诃h(huán)境污染物的處理，具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種磁性牦牛毛基生物質(zhì)活性炭及其制備方法和應(yīng)用。

2、本發(fā)明高吸附性磁性牦牛毛基生物質(zhì)活性炭的制備方法，本發(fā)明采用活化、賦磁兩步法制備高吸附性磁性活性炭，具體步驟如下：

3、①碳化：將牦牛毛用超純水清洗，干燥，氮?dú)鈿夥障拢?~5℃/min的升溫速率加熱至250-350℃，保溫時(shí)間為1~2h進(jìn)行碳化。

4、②活化：將步驟①得到的碳化材料與koh混合，氮?dú)鈿夥障?，以升溫速率?~5℃/min加熱至600℃~800?℃，保溫0.5~1h，hcl調(diào)節(jié)ph為中性，洗滌干燥得到牛毛基活性炭；碳化材料與koh質(zhì)量比為1:1~1:4。氧化反應(yīng)時(shí)間為1.5~4?h。

5、③fenton鐵泥的制備：將七水合硫酸亞鐵溶于超純水得到七水合硫酸亞鐵溶液，而后與雙氧水混合在室溫下進(jìn)行氧化反應(yīng)，反應(yīng)完成后用hcl調(diào)節(jié)ph為中性，離心洗滌去掉上清液后得到fenton鐵泥；雙氧水濃度為30%，七水合硫酸亞鐵溶液濃度為0.5~0.8mol/l；七水合硫酸亞鐵溶液和雙氧水的體積比為1:1~1:2。

6、④?活性炭賦磁：步驟②制備的牦牛毛基活性炭與步驟③的fenton鐵泥按1:1~1:4質(zhì)量比混合后在300℃~600?℃條件下高溫反應(yīng)，洗滌并干燥后，得到磁性牦牛毛基活性炭。高溫反應(yīng)時(shí)間為1.5~4h。

7、本發(fā)明制備的磁性牦牛毛基生物質(zhì)活性炭最大比表面積為2632?m2/g，孔徑在0.889?nm~33.242?nm之間，具有磁性且多孔的結(jié)構(gòu)。磁性活性炭用于亞甲基藍(lán)和四環(huán)素的高效吸附，具有很好吸附性能和高吸附量。能夠利用磁性從溶液中分離，可用于有機(jī)染料、抗生素等水質(zhì)污染物的高效吸附。

技術(shù)特征：

1.一種磁性牦牛毛基生物質(zhì)活性炭的制備方法，包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的磁性牦牛毛基生物質(zhì)活性炭的制備方法，其特征在于：步驟②中，碳化材料與koh質(zhì)量比為1:1~1:4。

3.如權(quán)利要求1所述的磁性牦牛毛基生物質(zhì)活性炭的制備方法，其特征在于：步驟③中，雙氧水濃度為30%，七水合硫酸亞鐵溶液濃度為0.5~0.8mol/l；七水合硫酸亞鐵溶液和雙氧水的體積比為1:1~1:2。

4.如權(quán)利要求1所述的磁性牦牛毛基生物質(zhì)活性炭的制備方法，其特征在于：步驟③中，氧化反應(yīng)時(shí)間為0.5~1?h。

5.如權(quán)利要求1所述的磁性牦牛毛基生物質(zhì)活性炭的制備方法，其特征在于：步驟④中，高溫反應(yīng)時(shí)間為1.5~4h。

6.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)方法制備得到的磁性牦牛毛基生物質(zhì)活性炭，其特征在于：牦牛毛基生物質(zhì)活性炭具有磁性，比表面積最大為2632?m2/g，孔徑范圍為0.889?nm~33.242nm。

7.如權(quán)利要求1所述方法制備的磁性牦牛毛基生物質(zhì)活性炭或權(quán)利要求6所述的磁性牦牛毛基生物質(zhì)活性炭在亞甲基藍(lán)和四環(huán)素吸附中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種磁性牛毛基生物質(zhì)活性炭及其制備方法和應(yīng)用，是在牦牛毛碳化和活化的基礎(chǔ)上，利用Fenton鐵泥與牦牛毛活性炭混合兩步法制備的具有磁性的牦牛毛基活性炭，該活性炭最大比表面積為2632?m2/g，能夠利用磁性從溶液中分離，可用于有機(jī)染料、抗生素等水質(zhì)污染物的高效吸附。

技術(shù)研發(fā)人員：趙蕾,韋澤艷,馬忠仁,王子凡
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北民族大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10