本發(fā)明屬水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及水生植物生物炭-碳納米管復(fù)合材料的制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對水資源需求量越來越大，但同時水資源的污染問題也日益嚴(yán)重。在眾多水污染中重金屬污染占了相當(dāng)大的比例。而重金屬污染又容易在生物鏈中富集和擴大，并且毒性較大，因此水中重金屬超標(biāo)及其造成的問題已經(jīng)嚴(yán)重危害到生態(tài)環(huán)境和人類的生命健康。其中，我國鉛（Pb）污染以及銅（Cu）污染尤為嚴(yán)重。近年來，我國陸續(xù)出現(xiàn)了多起鉛污染以及銅污染污染事件。如2009年、2010年多地就曝出的血鉛超標(biāo)事件，2010年造成了汀江大面積惡性污染的福建紫金礦業(yè)含銅酸性廢水滲漏事件等。

現(xiàn)有包括離子交換、吸附、混凝、膜過濾的大量處理技術(shù)，用于去除廢水中的Pb、Cu。在這些方法中，吸附是已知一種更加經(jīng)濟和簡單的處理方法。因此，尋找低成本、高容量的重金屬Pb以及Cu的吸附劑的需求正在增加。

碳納米管是一種圓筒形的石墨烯材料，具有優(yōu)異的性能，例如超輕、機械強度高、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。吸附作為碳納米管的潛在用途引起了廣泛的關(guān)注，因為碳納米管具有典型的中空層狀結(jié)構(gòu)使它獲得極高的比表面積，相應(yīng)的它也獲得了對各種污染物高吸附能力。

盡管碳納米管擁有這些吸附性能，但由于碳納米管的溶解度差和其原生狀態(tài)的快速聚集導(dǎo)致實際應(yīng)用仍然有限。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種利用水生植物廢棄物以及碳納米管制備一種重金屬Pb以及Cu吸附劑的方法。解決了現(xiàn)有技術(shù)中對重金屬Pb以及Cu的吸附能力差的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：

利用水生植物生物炭-碳納米管復(fù)合材料制備吸附劑的方法，包括如下步驟：

步驟（1）、將水生植物自然風(fēng)干，使其內(nèi)部含水率低于10%，然后粉碎過100目篩子，獲得水生植物粉末；

步驟（2）、稱取步驟（1）所述水生植物粉末，將粉末置于箱式氣氛爐中，向爐內(nèi)通入氮氣；程序升溫至目標(biāo)溫度，保持終溫?zé)峤?；熱解過程結(jié)束后，即得水生植物生物炭；

步驟（3）、碳納米管粉末加入去離子水中制備得碳納米管懸浮液；

步驟（4）、將步驟（3）所述的碳納米管懸浮液用超聲波均質(zhì)機進行超聲波處理；

步驟（5）、稱取步驟（2）所述水生植物生物炭放入步驟（4）所述的碳納米管懸浮液中，并用磁力攪拌器攪拌一定時間，取出后在105℃下烘干得水生植物生物炭與碳納米管充分混合物；

步驟（6）、稱取步驟（5）所述水生植物生物炭與碳納米管充分混合物置于箱式氣氛爐中，向爐內(nèi)通入氮氣；程序升溫至目標(biāo)溫度，保持終溫?zé)峤?；熱解過程結(jié)束后，即得水生植物生物炭-碳納米管復(fù)合材料。

進一步地，所述步驟（1）中水生植物為蘆葦、香蒲或茭草中的一種。

進一步地，所述步驟（2）中爐內(nèi)氮氣流速為400 mL/min；程序升溫速率控制10 °C/min；目標(biāo)溫度為500°C；500°C下終溫?zé)峤獬掷m(xù)60 min。

進一步地，所述步驟（3）中碳納米粉末與去離子水的質(zhì)量體積比為1:50；其中碳納米粉末的質(zhì)量單位為克，去離子水體積的單位為毫升。

進一步地，所述步驟（4）中通過超聲波儀進行超聲波處理，其輸出頻率為每小時20 kHz，脈沖間隔15 min，超聲時間為1 h。

進一步地，所述步驟（5）中水生植物生物炭與碳納米管懸浮液的質(zhì)量體積比為1:10；其中水生植物生物炭的質(zhì)量單位為克，碳納米管懸浮液體積的單位為毫升。

進一步地，所述步驟（5）中攪拌時間為1 h，攪拌速率為200 rpm。

進一步地，所述步驟（6）中爐內(nèi)氮氣流速為400 mL/min；程序升溫速率控制4 °C/min；目標(biāo)溫度為700°C；700°C下終溫?zé)峤獬掷m(xù)90 min。

本發(fā)明采用的水生植物廢棄物以及碳納米管均是豐富以及廉價的低成本材料，因此通過此方法制備的水生植物生物炭-碳納米管復(fù)合材料成本低廉。并且可在原位收集水生植物并制備生物炭，減少了運輸成本。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點：

（1）與現(xiàn)有生物炭或類生物炭吸附劑技術(shù)相比，本發(fā)明提供的改性生物炭對重金屬Cu、Pb等具備了吸附能力，并且吸附性能非常高；

（2）本發(fā)明提供的水生植物生物炭-碳納米管復(fù)合材料，利用的水生植物廢棄物以及碳納米管均是非常便宜以及容易獲得原材料；

（3）本發(fā)明制備的水生植物生物炭-碳納米管復(fù)合材料，具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，吸附后解吸再生并可以重復(fù)使用；

（4）本發(fā)明制備的水生植物生物炭-碳納米管復(fù)合材料，還可以提供額外的環(huán)境效益，例如碳封存和土壤改良。

（5）本發(fā)明提供的制備方法簡易，價格低廉，易于工業(yè)化生產(chǎn)；將生物炭技術(shù)和納米技術(shù)結(jié)合，制造混合納米材料生物炭復(fù)合材料，這樣可以有效的降低碳納米管原生狀態(tài)的快速聚集。水生植物生物炭-碳納米管復(fù)合材料，用來處理被Pb以及Cu污染水體或者對突發(fā)Pb及Cu污染事故水體的應(yīng)急處理，是一類擁有巨大潛力新型、環(huán)保和低成本的吸附劑。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步闡述，但本發(fā)明并不限于以下實施例。所述方法如無特別說明均為常規(guī)方法。所述原材料如無特別說明均能從公開商業(yè)途徑獲得。

圖1為本發(fā)明的工藝流程框圖。

圖2為5 g蘆葦制備生物炭-碳納米管復(fù)合材料對1 L Pb含量為100 mg/L的廢水的吸附效果圖。

圖3為5 g蘆葦制備生物炭-碳納米管復(fù)合材料對1 L Cu含量為100 mg/L的廢水的吸附效果圖。

具體實施方式

實施例Al

（1）將蘆葦自然風(fēng)干，使其內(nèi)部含水率低于10%，然后粉碎過100目篩子，獲得蘆葦粉末；

（2）稱取步驟（1）所述蘆葦粉末，將粉末置于箱式氣氛爐中，向爐內(nèi)通入氮氣，氮氣流速為400 mL/min；升溫速率控制10 °C/min，程序升溫至500°C，保持終溫?zé)峤獬掷m(xù)60 min；熱解過程結(jié)束后，即得蘆葦生物炭；

（3）碳納米管懸浮液的制備是將事先準(zhǔn)備好的2 g的碳納米管粉末加入100 mL的去離子水中；

（4）將步驟（3）所述的碳納米管懸浮液用超聲波均質(zhì)機進行超聲波處理,輸出頻率為每小時20 kHz，，脈沖間隔15 min，超聲時間為1 h；

（5）稱取步驟（2）所述1 g蘆葦生物炭放入步驟（4）所述的100 mL的碳納米管懸浮液中，并用磁力攪拌器攪拌1 h，攪拌速率為200 rpm，取出后在105℃下烘干得蘆葦生物炭與碳納米管充分混合物；

（6）將步驟（5）所述蘆葦生物炭與碳納米管充分混合物置于箱式氣氛爐中，向爐內(nèi)通入氮氣，流速為400 mL/min；程序升溫速率控制4 °C/min；目標(biāo)溫度為700°C；700°C下終溫?zé)峤獬掷m(xù)90 min；熱解過程結(jié)束后，即得蘆葦生物炭-碳納米管復(fù)合材料。

實施例A2

（1）將香蒲自然風(fēng)干，使其內(nèi)部含水率低于10%，然后粉碎過100目篩子，獲得香蒲粉末；

（2）稱取步驟（1）所述香蒲粉末，將粉末置于箱式氣氛爐中，向爐內(nèi)通入氮氣，氮氣流速為400 mL/min；升溫速率控制10 °C/min，程序升溫至500°C，保持終溫?zé)峤獬掷m(xù)60 min；熱解過程結(jié)束后，即得香蒲生物炭；

（3）碳納米管懸浮液的制備是將事先準(zhǔn)備好的2 g的碳納米管粉末加入100 mL的去離子水中；

（4）將步驟（3）所述的碳納米管懸浮液用超聲波均質(zhì)機進行超聲波處理,輸出頻率為每小時20 kHz，，脈沖間隔15 min，超聲時間為1 h；

（5）稱取步驟（2）所述1 g香蒲生物炭放入步驟（4）所述的100 mL的碳納米管懸浮液中，并用磁力攪拌器攪拌1 h，攪拌速率為200 rpm，取出后在105℃下烘干得香蒲生物炭與碳納米管充分混合物；

（6）將步驟（5）所述香蒲生物炭與碳納米管充分混合物置于箱式氣氛爐中，向爐內(nèi)通入氮氣，流速為400 mL/min；程序升溫速率控制4 °C/min；目標(biāo)溫度為700°C；700°C下終溫?zé)峤獬掷m(xù)90 min；熱解過程結(jié)束后，即得香蒲生物炭-碳納米管復(fù)合材料。

實施例A3

（1）將茭草自然風(fēng)干，使其內(nèi)部含水率低于10%，然后粉碎過100目篩子，獲得茭草粉末；

（2）稱取步驟（1）所述茭草粉末，將粉末置于箱式氣氛爐中，向爐內(nèi)通入氮氣，氮氣流速為400 mL/min；升溫速率控制10 °C/min，程序升溫至500°C，保持終溫?zé)峤獬掷m(xù)60 min；熱解過程結(jié)束后，即得茭草生物炭；

（3）碳納米管懸浮液的制備是將事先準(zhǔn)備好的2 g的碳納米管粉末加入100 mL的去離子水中；

（4）將步驟（3）所述的碳納米管懸浮液用超聲波均質(zhì)機進行超聲波處理,輸出頻率為每小時20 kHz，，脈沖間隔15 min，超聲時間為1 h；

（5）稱取步驟（2）所述1 g茭草生物炭放入步驟（4）所述的100 mL的碳納米管懸浮液中，并用磁力攪拌器攪拌1 h，攪拌速率為200 rpm，取出后在105℃下烘干得茭草生物炭與碳納米管充分混合物；

（6）將步驟（5）所述茭草生物炭與碳納米管充分混合物置于箱式氣氛爐中，向爐內(nèi)通入氮氣，流速為400 mL/min；程序升溫速率控制4 °C/min；目標(biāo)溫度為700°C；700°C下終溫?zé)峤獬掷m(xù)90 min；熱解過程結(jié)束后，即得茭草生物炭-碳納米管復(fù)合材料。

本發(fā)明的保護范圍不僅局限于下列內(nèi)容的表述。

以去除含Pb廢水為例（圖2），將5 g蘆葦制備生物炭-碳納米管復(fù)合材料投加到Pb濃度分別為100 mg·L^-1的1 L廢水中，Pb的濃度下降迅速，在初期5 min，去除率就達到50.15%，40 min后基本達到穩(wěn)定，在320 min后，硝酸根的去除率達到83.16%。經(jīng)過水生植物生物炭-碳納米管復(fù)合材料的吸附作用，吸附很快達到平衡，Pb被快速吸附去除，吸附后的水生植物生物炭-碳納米管復(fù)合材料可以通過酸液洗脫后再回收利用。

以去除含Cu廢水為例（圖3），將5 g蘆葦制備生物炭-碳納米管復(fù)合材料投加到Cu濃度分別為100 mg·L^-1的1 L廢水中，Cu的濃度下降迅速，在初期5 min，去除率就達到61.83%，20 min后基本達到穩(wěn)定，在320 min后，硝酸根的去除率達到85.11%。經(jīng)過水生植物生物炭-碳納米管復(fù)合材料的吸附作用，吸附很快達到平衡，Cu被快速吸附去除，吸附后的水生植物生物炭-碳納米管復(fù)合材料可以通過酸液洗脫后再回收利用。

較高的吸附速率對于實際應(yīng)用有著重要的意義，吸附速率較快可以確保較高的去除效率。水生植物生物炭-碳納米管復(fù)合材料可用于去除水體Pb、Cu污染，對Pb、Cu的吸附率高。同時，所用原料來源廣，成本低廉，操作簡單，技術(shù)通用性好，實現(xiàn)了 “以廢治廢”，在重金屬污染廢水處理，土壤重金屬污染阻控等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

以上所述僅為本發(fā)明優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。