本发明属于生物碳材料，涉及一种生物碳材料，特别是涉及一种高效氮掺杂生物炭材料及其制备方法与应用。
背景技术：
1、面对全球环境问题的严峻态势，尤其是在工业化进程中，工业废水中含有的大量有机染料污染物因其稳定的化学结构和缓慢的自然降解速度，对水环境产生了深远且持久的负面影响。这些染料废水排放至自然水体后，不仅会显著降低水体透明度，影响光线穿透，阻碍水底植物的光合作用，而且还大量消耗水体中的溶解氧，致使水体出现缺氧现象，不利于水生生物生存，破坏整个水生态系统平衡。更令人担忧的是，染料废水中的有毒有害物质可能渗透至地下，污染地下水层，甚至危及人类赖以生存的饮用水源，对人体健康产生潜在威胁，包括皮肤刺激、内分泌紊乱、甚至诱发癌症等多种健康问题。
2、为此，寻找既能高效去除染料污染物，又符合绿色可持续发展理念的新型吸附材料，成为了环保科技领域亟待攻克的重大课题。本发明立足于此，探寻利用自然界中广泛分布且可再生的生物质资源，特别是针对废弃柳树叶这一富含碳质的生物质废弃物，通过精密调控的热解炭化工艺，将其转化为具有吸附功能的生物炭基材。
3、在此基础上，本发明创新性地引入氮掺杂技术，以尿素作为氮源，通过高温热解过程实现氮元素的掺杂，同时采用na2co3作为活化剂，进行深度改性处理，最终成功研制出高比表面积、孔隙结构丰富且具有优异吸附性能的氮掺杂多孔生物炭材料。该材料在实际应用中，不仅能够有效吸附并去除水体中的难降解有机染料，而且具有良好的再生性和稳定性，大大降低了处理成本，从而为解决当前环境问题提供一种新的技术和策略。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种高效氮掺杂生物炭材料及其制备方法与应用。本发明针对工业化进程中废水中的有机染料污染问题，利用废弃柳树叶为原料，通过精细化预处理、氮掺杂炭化工艺与尿素高温活化相结合，成功制备出高比表面积、多孔结构且具有良好吸附性能的氮掺杂炭材料。本发明有效利用农业废弃物资源，通过精准调控热解参数与尿素添加量，实现对难降解有机染料的高效吸附与稳定去除，同时保证材料的再生性和经济效益，为解决环境问题提供了一种绿色可持续的吸附材料制备技术方案。
2、本发明的目的可以通过采用如下制备技术达到：
3、一种氮掺杂炭材料的制备方法，包括以下步骤：
4、s1柳树叶预处理：将柳树叶用去离子水清洗以去除表面杂质；清洗后的柳树叶烘干后冷却并进行粉碎过筛，得到柳树叶粉末。
5、s2氮掺杂炭材料基础体的制备：柳树叶粉末置于氮气保护气氛下的管式炉中，加热至750～850℃进行热解，热解产物冷却后用hcl溶液浸泡，随后用去离子水清洗至ph值达到中性，烘干，得到氮掺杂炭材料基础体。
6、s3尿素添加及高温碳化：向氮掺杂炭材料基础体中加入尿素，混匀，得到固体混合物；将固体混合物干燥后加入到氮气保护气氛下的管式炉中，升温至750～850℃进行碳化。
7、s4后续处理与纯化：碳化产物用盐酸溶液搅拌处理，然后用去离子水洗涤至中性，再烘干，得到氮掺杂炭材料。
8、所述的氮掺杂炭材料具有多级孔结构。
9、步骤s1中，所述的清洗的次数优选为2～4次，进一步优选为3次。
10、步骤s1中，所述的烘干在100～150℃下进行，烘干时间为2～6小时，优选为4小时；所述的粉碎过筛为过80～150目筛，优选为100～120目。
11、步骤s2中，所述的加热的升温速率优选为3～7℃/min，进一步优选为4～6℃/min；所述的热解的温度优选为800℃；所述的热解的时间优选为1～3小时，进一步优选为热解2小时。
12、步骤s2中，所述的hcl溶液的浓度优选为1～3mol/l。
13、步骤s2中，所述的烘干的条件优选为110～130℃下烘干10～14小时，进一步优选为120℃下烘干12小时。
14、步骤s3中，氮掺杂炭材料与尿素的质量比优选为2～4：0.2～0.8，进一步优选为2～4：0.4～0.6。
15、步骤s3中，所述的干燥优选为在110～130℃条件下干燥10～16小时，进一步优选为在120℃下干燥12小时；所述的升温速率优选为3～7℃/min；所述的碳化的时间优选为1～3小时，进一步优选为碳化1.5～2.5小时，最优选为碳化2小时。
16、步骤s4中，用盐酸溶液搅拌处理优选为用1～3mol/l的盐酸溶液搅拌处理1～3小时，进一步优选为用2mol/l的盐酸溶液搅拌处理1小时；所述的烘干的条件优选为在110～130℃烘箱中干燥10～16小时，进一步优选为在120℃下干燥12小时。
17、所述的氮掺杂炭材料在吸附有机染料中的应用。所述的氮掺杂炭材料在处理有机染料废水中的应用。
18、所述的有机染料包括亚甲基蓝(mb)。
19、本发明的优点和有益效果：本发明践行了绿色可持续发展理念，将广泛分布且易得的农业废弃物转化为具有实用价值的吸附材料，实现了废弃物资源化，降低了环境负担。其次，通过控制预处理、氮掺杂和高温碳化等技术环节，成功提升了生物炭的比表面积和孔隙结构，增强了其对水体中难降解有机染料的吸附性能和稳定性，有效解决了工业废水中染料污染物难以去除的问题。此外，本发明中采用的氮掺杂和尿素添加技术，不仅提高了炭材料对污染物的吸附容量，还赋予了材料良好的再生性和使用寿命，大大降低了废水处理的成本。最后，通过严谨的后续处理与纯化步骤，确保所得氮掺杂炭材料无残留杂质，且能够在实际应用中展现稳定的吸附效能，为当前工业化进程中面临的废水处理挑战提供了一种高效、经济且环保的解决方案。
1.一种氮掺杂炭材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述的清洗的次数为2～4次；所述的烘干为在100～150℃下烘干2～6小时；所述的粉碎过筛为过80～150目筛。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤s2中，所述的加热的升温速率为3～7℃/min；所述的热解的温度为800℃；所述的热解的时间为1～3小时；所述的hcl溶液的浓度为1～3mol/l；所述的烘干的条件为110～130℃下烘干10～14小时。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤s3中，氮掺杂炭材料与尿素的质量比为2～4：0.2～0.8。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤s3中，所述的干燥为在110～130℃条件下干燥10～16小时；所述的升温速率为3～7℃/min；所述的碳化的时间为1～3小时。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤s4中，用盐酸溶液搅拌处理为用1～3mol/l的盐酸溶液搅拌处理1～3小时；所述的烘干的条件为在110～130℃烘箱中干燥10～16小时。
7.一种氮掺杂炭材料，其特征在于：通过权利要求1-6任一项所述的制备方法得到。
8.权利要求7所述的氮掺杂炭材料在吸附有机染料中的应用。
9.权利要求7所述的氮掺杂炭材料在处理有机染料废水中的应用。
10.根据权利要求8或9所述的应用，其特征在于：所述的有机染料包括亚甲基蓝。
