一种生物炭负载二氧化钛复合材料及其应用

本发明属于电极材料，涉及一种生物炭负载二氧化钛复合材料及其应用。

背景技术：

1、二氧化钛（tio2）作为过渡金属氧化物的一种，具有无污染、易获得、成本低、高催化活性、结构稳定等优点，被广泛应用于光催化、储能以及废水处理等领域。生物炭（bc）是通过热解过程或水热过程从有机物质中提取的富含碳的固体。生物炭因富含多种官能团（如羰基、羧基、羟基等）广泛应用于废水处理中。电容去离子技术简称cdi，能够从水溶液中去除和回收重金属离子，常用于重金属废水处理方面，如砷、镉、铬、铜、铁、镍、铅、钒、锌等，并且具有环境友好、成本效益好、耗能低、电极重复利用率高等优点。

2、大量的工业废水直接或间接地排放到土壤和水体中，污染了淡水资源。工业废水中包括有各种重金属离子形成的氧化物和络合物，尤其是铬、铅、铜、砷、镉和铊等重金属元素。铊（tl）是一种剧毒元素，在自然环境中主要以正一价和正三价的形式存在，其毒性高于镉、汞、铅等毒性强烈的重金属，且具有较强的生物蓄积性，铊会使细胞膜上的钾离子运输泵蛋白失活，扰乱人体新陈代谢功能，并且会随着食物链在人体骨头、肾脏和神经系统处富集，对人体与生态环境产生极大的威胁。现有的废水除铊技术大多需要投加大量碱和絮凝剂，药剂耗量大，试剂材料投入成本高，而且面对的处理对象往往是高浓度含铊工业废水，虽然可以在很大程度上降低废水中的铊浓度，但是面对水体中的低浓度铊时，现有的处理技术存在处理成本过高，处理程序复杂，除铊后的水体中存在二次污染等问题，因此难以在低浓度含铊水体的处理中被应用。

技术实现思路

1、本发明的技术目的在于针对低浓度重金属离子铊去除效率较低、处理成本高、存在二次污染等的技术问题，本发明以生物炭为载体材料，负载二氧化钛，得到电极材料。该电极具备出色的电容性、亲水性能和优异的重金属离子去除性能等优势，可应用于工业废水中低浓度重金属离子的高效去除。

2、一方面，本发明提供了一种生物炭负载二氧化钛复合材料，所述生物炭负载二氧化钛复合材料的结构中包含生物炭载体和负载在所述生物炭载体上的二氧化钛。

3、进一步地，本发明提供了生物炭负载二氧化钛复合材料电化学性能以及亲水性能。

4、进一步地，本发明提供了生物炭负载二氧化钛复合材料去除tl(i)前后所含元素变化以及复合材料的结构。

5、进一步地，本发明提供了生物炭负载二氧化钛复合材料在用于电容去离子技术去除水中铊中的应用。

6、另一方面，本发明提供了一种生物炭负载二氧化钛复合材料的制备方法，包括：

7、（1）生物炭的制备：将香蕉皮（生物质）放入烘箱中80℃烘干24h，随后用粉碎机粉碎，过100目，得到生物质粉末，将生物质粉末加入到100ml无水乙醇溶液中，超声30min并进行磁力搅拌得到混合溶液，混合溶液在90℃水浴反应1h，将得到的悬浊液离心、水洗三次后用烘箱105℃烘干12h，最后放入马弗炉中以5℃/min的升温速度在500℃下煅烧2h，得到生物炭。

8、（2）二氧化钛的制备：用蠕动泵将koh溶液抽取到混合反应后的溶液中，得到中间产物（ti(so4)2与koh质量比为1：4）。随后在90℃水浴反应1h，将得到的悬浊液离心、水洗三次后用烘箱105℃烘干12h。最后放入马弗炉中以5℃/min的升温速度在500℃下煅烧2h，得到二氧化钛。

9、（3）将步骤（1）中的生物质粉末加入到100ml无水乙醇溶液中，超声30min。随后缓慢滴加ti(so4)2溶液，并在磁力搅拌器下混合反应，然后用蠕动泵将koh溶液抽取到混合反应后的溶液中，得到中间产物（ti(so4)2与koh质量比为1：4）。随后在90℃水浴反应1h，将得到的悬浊液离心、水洗三次后用烘箱105℃烘干12h。最后放入马弗炉中以5℃/min的升温速度在500℃下煅烧2h，其中，硫酸钛与生物质粉末的质量比为1：2，制得的生物炭负载二氧化钛复合材料表示为tio2/bc-1:2材料。

10、进一步地，本发明提供了上述制备方法获得的生物炭负载二氧化钛复合材料通过cdi技术去除水中污染物铊的应用。

11、再一方面，本发明提供了生物炭负载二氧化钛复合材料通过cdi技术去除水中污染物的应用。

12、进一步地，本发明提供了生物炭负载二氧化钛复合材料应用于cdi技术去除tl(i)不同因素的性能影响。

13、进一步地，本发明提供了生物炭负载二氧化钛复合材料通过cdi技术去除水中钠盐与钾盐的应用。

14、进一步地，本发明提供了生物炭负载二氧化钛复合材料通过cdi技术去除废水中铊的应用。

15、与现有技术相比，本发明提供的技术方案至少具备下述的有益效果或优点：

16、本发明使用香蕉皮作为碳源，实现了废弃物的有效再利用。通过超声法和沉淀法制备生物炭负载二氧化钛复合材料，并且在高温下热解后的材料具有更稳定的碳骨架结构，有效促进了二氧化钛的负载，形成了高度分散且均匀的二氧化钛颗粒在生物炭基质上的分布，这有利于提高吸附性能。氢氧化钾溶液的引用提高了材料中钾离子的含量，更促进了tl+与k+的离子交换作用。

17、本发明基于电极材料技术领域，构建了生物炭负载二氧化钛复合材料。相比于tio2和bc电极，tio2/bc-1:2材料电极具有良好的循环稳定性、较好的电化学性能、低扫描速率下更高的电容、良好的抗干扰能力以及优秀的亲水性，更利于溶液中离子的扩散与运输，有助于发挥出最佳的除tl（i）效能，为工业废水中重金属tl（i）的去除提供了可能。

18、tio2/bc-1:2材料通过cdi技术去除tl（i）在ph值为4~10、流速为5~20ml/min、施加电压为0.1~3v、tl（i）溶液初始浓度为2~50µg/l范围内，均表现出较高的去除效率。同时考虑到共存离子的干扰，其中，k+、no3-、mg2+能够降低tl（i）的去除率，而na+具有显著的促进作用。本发明进一步提供了tio2/bc-1:2材料对工业废水中tl（i）以及其他盐类（kcl和nacl）的吸附效果，tio2/bc-1:2材料均表现出高效吸附性能。

19、tio2/bc-1:2材料对tl（i）是存在多种机理的去除效果，包括电容性电吸附以及络合、离子交换作用的传统吸附。

技术特征：

1.一种生物炭负载二氧化钛复合材料，其特征在于，所述生物炭负载二氧化钛复合材料的结构中包含生物炭载体和负载在所述生物炭载体上的二氧化钛。

2.权利要求1中所述的生物炭负载二氧化钛复合材料在用于电容去离子技术去除水中铊中的应用。

3.一种生物炭负载二氧化钛复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的生物质为香蕉皮。

5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中的硫酸钛与氢氧化钾的质量比为1：4；所述步骤（3）中的硫酸钛与氢氧化钾的质量比为1：4。

6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中的硫酸钛与生物质粉末的质量比为1：2。

7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的水浴反应的温度为90℃，水浴反应的时间为1h；所述步骤（2）中的水浴反应的温度为90℃，水浴反应的时间为1h；所述步骤（3）中的水浴反应的温度为90℃，水浴反应的时间为1h。

8.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的热解温度为500℃，热解时间为2h；所述步骤（2）中的热解温度为500℃，热解时间为2h；所述步骤（3）中的热解温度为500℃，热解时间为2h。

9.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的烘干温度为105℃；所述步骤（2）中的烘干温度为105℃；所述步骤（3）中的烘干温度为105℃。

10.权利要求3~9中任一项所述的制备方法制得的生物炭负载二氧化钛复合材料在用于电容去离子技术去除水中铊中的应用。

技术总结本发明提供了一种生物炭负载二氧化钛复合材料及其应用，属于电极材料技术领域。本发明得到的生物炭负载二氧化钛复合材料，具有优异的电化学性能、电容性以及亲水性能，有利于溶液中离子的扩散与运输。基于此，本发明在不同条件下对含铊废水均表现出优异的去除性能和稳定性。生物炭负载二氧化钛复合材料通过电容去离子工艺处理铊溶液存在多种机理的去除效果，包括电容性电吸附以及络合、离子交换作用的传统吸附。生物炭负载二氧化钛复合材料为铊的去除提供了一种绿色、高效的方案。技术研发人员：李伙生,邓一荣,陆海建,莫健莹,黄涓溪,周颖,邓梓毅,龙建友,钟灿镔受保护的技术使用者：广州大学技术研发日：技术公布日：2024/9/17