一种新型碱氮共掺杂的改性竹源生物炭吸附材料及其制备与在有机废气治理中应用

(一)本发明属于生物炭吸附材料制备，具体涉及一种新型碱氮共掺杂的改性竹源生物炭吸附材料的制备及其在有机废气治理中的应用。

背景技术：

0、(二)背景技术

1、vocs被认为是臭氧(o3)和二次有机气溶胶(secondary organic aerosols，soas)的关键前体，对人类健康、动植物生长和生态环境造成极大危害。随着人们对vocs污染的重视，不同环境条件下vocs的捕集和降解技术得到了一定的发展，吸附法由于操作简单、成本低、能处理低浓度vocs且能回收高附加值的vocs组分而被广泛应用。

2、生物炭是生物质热解的产物，由富含碳的生物质例如农业废物、污泥、动物粪便，低氧或无氧条件下热解而成。生物炭材料通常被选择用于有效吸附vocs，因为它们具有高孔隙率、大比表面积、多孔的结构、丰富的官能团和相对稳定。此外，由于成本低廉，生物炭逐渐成为一种流行的吸附剂。生物炭具有回收和再利用吸附剂和吸附物的潜力。尽管目前大部分研究集中在水或土壤修复领域，生物炭的多孔结构和碳基特性吸引了许多研究人员将其用于大气修复。据报道，在家禽粪便堆肥中添加低剂量的生物炭可以显著减少最活跃阶段含氧和含氮vocs的产生。研究表明，生物炭中矿物组分的存在对生物炭吸附vocs有一定的促进作用，热解过程中矿物组分的存在会改变生物炭的表面官能团，孔隙容量，提高生物炭的吸附能力。

3、竹源生物炭作为常用的吸附剂，价格便宜，吸附效果好，被大量运用于土壤、水体污染物处理，对污染物有较高的吸附容量，但对含杂原子的voc，如二氯甲烷的吸附能力有限，需要进一步提高。此外，由于工业废气中常伴有高湿度，因此竞争吸附可能会导致vocs的吸附能力严重下降。

4、因此，开发用于吸附疏水性vocs的吸附剂势在必行，尤其是提高高湿环境下非极性vocs的吸附容量，具有重要的现实意义。

技术实现思路

0、(三)技术实现要素：

1、本发明目的是提供一种新型碱氮共掺杂的改性竹源生物炭吸附材料及其制备与在有机废气治理中应用，本发明利用水蒸气、氢氧化钾和尿素改性竹源生物炭制备的吸附材料，与未改性生物炭相比，吸附量提升了3.0倍，比表面积提升了4.8倍，得到的生物炭的表面活性官能团显著增加。并且受湿度的影响较小，在湿度较大的环境中也展现出较好的吸附效果。

2、本发明采用的技术方案是：

3、本发明提供一种新型碱氮共掺杂的改性竹源生物炭吸附材料，所述材料按如下方法制备：

4、(1)将竹块洗净、烘干得到生物炭前驱体；

5、(2)将步骤(1)中的生物炭前驱体置于高温管式炉中，在氮气流量50-150ml/min、升温速率5-15℃/min条件下升温至500-600℃并恒温热解1-3h，自然冷却后，研磨后过筛，得到尺寸均匀的热解生物炭；

6、(3)将步骤(2)得到的热解生物炭与水混合后，在管式炉中，在氮气流量50-150ml/min、升温速率5-15℃/min条件下升温至600-800℃并恒温隔氧热解1-3h；冷却至室温，取出后，与氢氧化钾和尿素混合，70-90℃、300-600r/min浸渍搅拌1-3h，烘干，在管式炉中，在氮气流量50-150ml/min、升温速率5-15℃/min条件下升温至600-800℃并恒温隔氧炭化1-3h；冷却至室温，取出后用纯水洗涤至ph＝6～7，烘干，得到所述新型碱氮共掺杂的改性竹源生物炭吸附材料。

7、优选的，步骤(1)生物炭前驱体按如下步骤制备：将竹块放入用自来水冲洗1-3次后，在烘箱中，60-80℃恒温烘干3-5h，自然冷却后取出，得到生物炭前驱体。

8、优选的，步骤(2)在氮气流量100ml/min、升温速率10℃/min条件下升温至600℃并恒温热解2h；过筛后的生物炭颗粒尺寸介于40～80目之间。

9、优选的，步骤(3)在氮气流量100ml/min、升温速率10℃/min条件下升温至800℃并恒温隔氧热解2h；80℃、500r/min浸渍搅拌2h；在氮气流量100ml/min、升温速率10℃/min条件下升温至800℃并恒温隔氧炭化2h；所述水体积用量以生物炭质量计为5-15ml/g，优选10ml/g；生物炭与尿素的质量比为1:1-5，优选1:3；生物炭与氢氧化钾的质量比为1:1～5，优选1:2。

10、本发明还提供一种所述改性竹源生物炭吸附材料在有机废气治理中的应用，所述有机废气包括二氯甲烷、甲苯、环己烷。

11、优选的，所述应用方法为：以所述改性竹源生物炭吸附材料为吸附剂，以含有机废气的氮气为进气，进气流速为50-150ml/min，在25℃、湿度25-80％条件下进行吸附；有机废气进气浓度为1000ppm。

12、与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

13、1.本发明以竹材料为碳源，大大降低了吸附材料制备成本，同时也不造成次污染，起到了绿色环保的作用。

14、2.本发明方法通过特定的工艺和改性剂获得的改性生物炭可改变孔径，改性后的生物炭具有丰富的微孔结构和较大的比表面积(1590.4m2·g-1)，一方面有利于物理吸附，另一方面增加了吸附位点，对于二氯甲烷等疏水性挥发有机物，此改性炭的吸附容量有明显增大。

15、3.本发明方法得到改性生物炭对二氯甲烷、甲苯、环己烷等vocs的吸附容量大大提升，最大饱和吸附量可分别达到610.9mg/g、653.2mg/g、412.9mg/g，且具有良好的抗冲击负荷能力，具有优异的应用价值。

16、4.将生物炭改性后用于吸附vocs，拓展了生物质炭材料的应用范围，提高生物炭的利用率的同时，在原有基础上增强了vocs的吸附率。制备具有高吸附能力且性质稳定的生物炭无论是在vocs气体吸附领域还是环境修复领域都具有重要意义。

技术特征：

1.一种新型碱氮共掺杂的改性竹源生物炭吸附材料，其特征在于，所述材料按如下方法制备：

2.如权利要求1所述的改性竹源生物炭吸附材料，其特征在于，步骤(1)生物炭前驱体按如下步骤制备：将竹块放入用自来水冲洗1-3次后，在烘箱中，60-80℃恒温烘干3-5h，自然冷却后取出，得到生物炭前驱体。

3.如权利要求1所述的改性竹源生物炭吸附材料，其特征在于，步骤(2)在氮气流量100ml/min、升温速率10℃/min条件下升温至600℃并恒温热解2h。

4.如权利要求1所述的改性竹源生物炭吸附材料，其特征在于，步骤(2)过筛后的生物炭颗粒尺寸介于40～80目之间。

5.如权利要求1所述的改性竹源生物炭吸附材料，其特征在于，步骤(3)在氮气流量100ml/min、升温速率10℃/min条件下升温至800℃并恒温隔氧热解2h；80℃、500r/min浸渍搅拌2h；在氮气流量100ml/min、升温速率10℃/min条件下升温至800℃并恒温隔氧炭化2h。

6.如权利要求1所述的改性竹源生物炭吸附材料，其特征在于，步骤(3)所述水体积用量以生物炭质量计为5-15ml/g；生物炭与尿素的质量比为1:1-5；生物炭与氢氧化钾的质量比为1:1～5。

7.一种权利要求1所述改性竹源生物炭吸附材料在有机废气治理中的应用。

8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述有机废气包括二氯甲烷、甲苯、环己烷。

9.如权利要求8所述的应用，其特征在于，所述应用方法为：以所述改性竹源生物炭吸附材料为吸附剂，以含有机废气的氮气为进气，进气流速为50-150ml/min，在25℃、湿度25-80％条件下进行吸附。

10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，有机废气进气浓度为1000ppm。

技术总结本发明公开了一种新型碱氮共掺杂的改性竹源生物炭吸附材料及其制备与在有机废气治理中应用，本发明以竹材料为碳源，大大降低了吸附材料制备成本，同时也不造成次污染，起到了绿色环保的作用。本发明方法通过特定的工艺和改性剂获得的改性生物炭具有丰富的微孔结构和较大的比表面积，对二氯甲烷、甲苯、环己烷等VOCs的吸附容量大大提升，最大饱和吸附量可分别达到610.9mg/g、653.2mg/g、412.9mg/g，且具有良好的抗冲击负荷能力，具有优异的应用价值。技术研发人员：成卓韦,韦润泽,陈建孟,王家德,吕新,吴晓明,张伟岳,陈东之受保护的技术使用者：浙江工业大学技术研发日：技术公布日：2024/11/21