本發(fā)明涉及污水處理，尤其涉及一種載鐵生物炭吸附劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、目前，國內(nèi)外的廢水除磷技術(shù)主要分為兩大類：生物法除磷、物化法除磷。物化法除磷又可分為化學沉淀法、電絮凝法、結(jié)晶法、吸附法等。其中，吸附法除磷技術(shù)以其容量大、吸附劑活性點豐富、能耗少、污染小、高效快速、易操作、可循環(huán)使用且成本低廉等優(yōu)點，在除磷方面得到了廣泛的應(yīng)用。吸附法除磷技術(shù)是利用某些多孔或大比表面積物質(zhì)，主要通過磷在吸附劑表面的表面沉淀、離子交換或附著吸附等作用來實現(xiàn)廢水的除磷過程；利用吸附-解吸方法，同時實現(xiàn)磷污染的消除和磷資源的回收。

2、活性炭作為吸附劑，具有較大的比表面積和孔容積，被廣泛應(yīng)用于有機廢水及重金屬廢水的處理行業(yè)。但活性炭對無機污染物的吸附能力較弱，這限制了其在無機含磷廢水凈化處理中的應(yīng)用?，F(xiàn)有技術(shù)通過在活性炭表面負載一層活性較高的不同于活性炭本體的活性物質(zhì)（所負載的活性物質(zhì)多為金屬氧化物），來改變活性炭表面的物化性質(zhì)，增加其表面活性位點，從而提高活性炭的吸附能力。然而，現(xiàn)有的除磷活性炭的吸附容量和吸附效率仍有待提高。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明提供一種載鐵生物炭吸附劑及其制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明通過特定的處理方式，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槭疾牧?，并采用通電加壓的方式將鐵離子和椰殼粉嵌入石墨塊狀材料中，進一步提升了生物炭的孔隙率，增加了生物炭的吸附容量和吸附效率，還實現(xiàn)了吸附劑的磁可分效果。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種載鐵生物炭吸附劑的制備方法，包括以下步驟：

4、s1，將生物質(zhì)加入到酸溶液中進行浸漬，得碳源；

5、s2，將所述碳源以30℃/min~40℃/min的速率升溫至1000℃~1100℃進行第一焙燒，得石墨化碳材料；

6、s3，將所述石墨化碳材料、聚乙烯醇和水混合，壓制，得石墨塊狀材料；

7、s4，將所述石墨塊狀材料作為電極一端，與鉑電極一起放入可溶性鐵鹽溶液中，加入椰殼粉后，通電加壓，得生物炭前驅(qū)體材料；

8、所述可溶性鐵鹽溶液包括二價鐵鹽和三價鐵鹽；

9、s5，將所述生物炭前驅(qū)體材料進行第二焙燒，破碎，得載鐵生物炭吸附劑。

10、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的載鐵生物炭吸附劑的制備方法，先將生物質(zhì)進行酸浸，以去除生物質(zhì)表面或內(nèi)部的雜質(zhì)（包括灰分和有機質(zhì)），對生物質(zhì)進行提純；再將所得碳源進行快速升溫，并在特定溫度下進行第一焙燒，采用快速升溫的方式，有利于將碳源表面或內(nèi)部的化學水分和機械水分快速蒸發(fā)出去，避免這些水分在高溫下產(chǎn)生蒸汽壓力而對第一焙燒效果產(chǎn)生不利影響；碳源在特定條件下進行第一焙燒，可形成孔容較大且均勻的石墨化碳材料，并引入較多含氧官能團，為后續(xù)過程鐵離子與內(nèi)部含氧基團的結(jié)合提供了空間可能性；然后將石墨化碳材料壓制成型，聚乙烯醇作為粘合劑，在后續(xù)通電加壓、第二焙燒及破碎過程中可以保證石墨化碳材料、椰殼粉和鐵離子之間具有一定的粘合作用，增加物料之間的結(jié)合力；石墨化碳材料中存在可進行離子交換的層間域，為克服鐵離子和椰殼粉與石墨塊狀材料之間的相互作用力，本發(fā)明對可溶性鐵鹽溶液中的石墨塊狀材料施加一定的電壓，正極上的電勢會吸引負極的陽離子向正極移動，在負極附近，陽離子會與層間域中的陽離子進行交換，從而將鐵離子和椰殼粉嵌入到石墨塊狀材料的層間結(jié)構(gòu)，進入石墨化碳材料的內(nèi)孔中，利用帶正電的鐵離子與帶負電的含氧離子之間的相互作用，在石墨塊狀材料內(nèi)部的特定位點引入鐵離子，從而使整個層狀結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹或擴大，提升了生物炭的空隙率，更有利于后續(xù)載鐵生物炭吸附劑對污水中的磷或重金屬物質(zhì)進行吸附；將生物炭前驅(qū)體材料進行第二焙燒，把鐵離子轉(zhuǎn)化為具有一定磁性及除磷效果的鐵氧化合物（包括氧化鐵和四氧化三鐵），同時椰殼粉會被部分碳化，增加了吸附劑的孔隙率，輔助發(fā)揮一定的吸附作用。

11、本發(fā)明的可溶性鐵鹽溶液中同時含有二價鐵鹽和三價鐵鹽，三價鐵離子在酸性條件（可溶性鐵鹽溶液呈酸性）下呈絮凝狀，可用于調(diào)控鐵離子（包括fe2+和fe3+）嵌入石墨塊狀材料的速率和比例。椰殼具有特定的結(jié)構(gòu)，主要由外層的纖維素質(zhì)層、中層的堅硬殼層和內(nèi)層的軟殼層組成。其中，纖維素質(zhì)層由纖維狀的細胞組成，具有很好的柔韌性，堅硬殼層具有很高的硬度和耐沖擊性，而軟殼層則具有一定的緩沖作用。本發(fā)明在通電加壓過程中引入椰殼粉，堅硬殼層的椰殼粉可以作為石墨塊狀材料的支撐骨架，在電壓作用下可以隨鐵離子一起插入到石墨塊狀材料的層間，形成插層復合物，起到“柱子”效果，防止石墨化碳材料之間發(fā)生坍塌，加固間層，強化效果；纖維素質(zhì)層和軟殼層的椰殼粉富含纖維素，分子鏈之間具有較強的相互作用力，可以進一步提高載鐵生物炭吸附劑的穩(wěn)定性。

12、此外，本發(fā)明制得的載鐵生物炭吸附劑的內(nèi)部包裹有磁性物質(zhì)四氧化三鐵，可以通過磁吸作用實現(xiàn)污水處理中載鐵生物炭吸附劑的回收利用，節(jié)約了成本。本發(fā)明中的生物質(zhì)及椰殼粉屬于固體廢棄物，本發(fā)明采用特定的制備方法，將上述固體廢棄物進行了合理有效地利用，避免了環(huán)境污染。

13、優(yōu)選的，s1中，所述生物質(zhì)選自植物秸稈、樹枝、廢木材或花草。

14、示例的，s1中，需要將生物質(zhì)破碎后再加入到酸溶液中，破碎后生物質(zhì)的粒徑≤1cm。

15、優(yōu)選的，s1中，所述酸溶液的ph=2~4。

16、示例的，s1中，酸溶液選自鹽酸溶液、硝酸溶液或硫酸溶液。

17、優(yōu)選的，s1中，所述生物質(zhì)和所述酸溶液的質(zhì)量體積比為1g:(6~10)ml。

18、優(yōu)選的，s1中，所述浸漬的溫度為5℃~40℃，浸漬時間為7h~8h。

19、示例的，s1中，浸漬結(jié)束后，采用熱水（70℃~80℃）對浸漬后的生物質(zhì)進行洗滌，得碳源。

20、本發(fā)明通過限定s1的條件，可以進一步去除生物質(zhì)表面和內(nèi)部的灰分和有機質(zhì)等雜質(zhì)，進一步提高生物質(zhì)的純度。

21、優(yōu)選的，s2中，所述第一焙燒的時間為2h~3h。

22、示例的，s2中，第一焙燒結(jié)束后，將第一焙燒后的碳源破碎，得石墨化碳材料。

23、優(yōu)選的，s3中，所述石墨化碳材料、所述聚乙烯醇和所述水的質(zhì)量比為100:(3~5):(1~1.5)。

24、優(yōu)選的，s3中，所述壓制的溫度為60℃~80℃，所述壓制的壓力為25mpa~30mpa，保壓時間為3s~4s。

25、本發(fā)明通過限定聚乙烯醇的用量及壓制條件，可以更好地發(fā)揮聚乙烯醇的粘結(jié)作用，既可以使石墨化碳材料、椰殼粉和鐵離子之間具有一定的粘合作用，又不至于影響納米材料的吸附作用；此外，優(yōu)選的壓制條件還可以更好地將石墨化碳材料壓制成型，進而形成利于后續(xù)通電加壓的石墨塊狀材料，保證成型率的同時，有利于后續(xù)鐵離子和椰殼粉在特定的通電加壓條件下進入石墨塊狀材料。

26、示例的，s3中，石墨塊狀材料的形狀可以為圓環(huán)形或柱形結(jié)構(gòu)。如圓環(huán)形的外直徑為200mm，內(nèi)直徑為150mm；圓柱形的直徑為50mm~100mm，長度為150mm~200mm；長方體的長寬均為50mm~100mm，長度為150mm~200mm。

27、優(yōu)選的，s4中，所述可溶性鐵鹽溶液中二價鐵鹽的濃度為0.2mol/l~0.3mol/l，三價鐵鹽的濃度為0.3mol/l~0.4mol/l。

28、優(yōu)選的，s4中，所述可溶性鐵鹽溶液的ph=5~5.5。采用鹽酸、硫酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)可溶性鐵鹽溶液的ph值。

29、優(yōu)選的，s4中，所述二價鐵鹽為硫酸亞鐵，所述三價鐵鹽為氯化鐵。

30、本發(fā)明通過限定二價鐵鹽和三價鐵鹽的濃度、可溶性鐵鹽溶液的ph值，可以保證鐵離子嵌入石墨塊狀材料的速率和比例，進而控制成品載鐵生物炭吸附劑的孔容及孔隙率，增加對污水處理的吸附效果。本發(fā)明對可溶性鐵鹽溶液的用量不做限定，可浸沒石墨塊狀材料和鉑電極即可。

31、優(yōu)選的，s4中，所述椰殼粉的粒徑為5μm~10μm。

32、優(yōu)選的，s4中，所述石墨塊狀材料和所述椰殼粉的質(zhì)量比為100:(10~20)。

33、本發(fā)明通過限定椰殼粉的粒徑和用量，可以進一步發(fā)揮椰殼粉的支柱及穩(wěn)定作用，且特定含量的椰殼粉在后續(xù)的第二焙燒過程中，可以轉(zhuǎn)化為生物炭，進一步增加吸附劑的孔隙率及吸附性能。

34、優(yōu)選的，s4中，所述通電加壓的電壓為5v~8v，所述通電加壓的時間為1h~1.5h。

35、本發(fā)明通過限定通電加壓的條件，可以更好地將鐵離子和椰殼粉嵌入石墨塊狀材料中。

36、示例的，s4中，通電加壓后還需要對通電加壓后的石墨塊狀材料進行干燥、水性至中性。

37、優(yōu)選的，s5中，所述第二焙燒的溫度為500℃~600℃，時間為3h~3.5h。

38、優(yōu)選的，s5中，所述載鐵生物炭吸附劑的粒徑為100nm~800nm，孔容為1.2cm3/g~1.6cm3/g。

39、第二方面，本發(fā)明提供一種載鐵生物炭吸附劑，由所述的載鐵生物炭吸附劑的制備方法制備得到。

40、本發(fā)明提供的載鐵生物炭吸附劑，吸附容量大，對污水中的磷及重金屬具有較好的選擇性，可進一步提升對污水處理的吸附效率。實施例結(jié)果表明，采用本發(fā)明提供的載鐵生物炭吸附劑進行吸附后，污水中的po43-的去除率可達98%以上，吸附容量可達49mg/g以上。

41、第三方面，本發(fā)明提供一種由所述的載鐵生物炭吸附劑的制備方法制備得到的載鐵生物炭吸附劑或所述的載鐵生物炭吸附劑在污水處理中的應(yīng)用。