CN103435130A

CN103435130A - 铝改性秸秆生物质炭在去除水体中大肠杆菌中的应用

Info

Publication number: CN103435130A
Application number: CN2013102561542A
Authority: CN
Inventors: 徐仁扣; 赵安珍; 刘兆东; 顾天夏
Original assignee: Institute of Soil Science of CAS
Current assignee: Institute of Soil Science of CAS
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2013-12-11

Abstract

铝改性秸秆生物质炭在去除水体中大肠杆菌中的应用。所述秸秆生物质炭由花生秸秆、大豆秸秆、油菜秸秆或稻草中的一种或任意几种的混合在350℃热解而成。铝改性秸秆生物质炭由秸秆生物质炭与0.6mol/L铝溶液混合、碱化制成。铝改性秸秆生物质炭去除水体中大肠杆菌的方法，在塑料瓶中将经过铝改性的秸秆生物质炭与含大肠杆菌的水按1g/L的比例混合，旋转振荡，过滤分离固液相；或将含大肠杆菌的水直接流经填装铝改性生物质炭的淋溶柱，待反应达饱和状态后取出生物质炭。将处理水体后的生物质炭焚烧，以杀灭大肠杆菌。该方法廉价、高效，不产生二次污染。

Description

铝改性秸秆生物质炭在去除水体中大肠杆菌中的应用

技术领域

本发明属于水体净化处理技术领域，涉及铝改性秸秆生物质炭在去除水体中大肠杆菌中的应用。

背景技术

大肠杆菌是水体中常见的致病微生物，饮用含大肠杆菌的水影响人和动物的健康。我国2006年颁布的《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中专门规定了总大肠杆菌和耐热大肠杆菌的指标。因此，有效去除水体中的大肠杆菌对保障饮水安全具有重要意义。

生物质炭(biomass-derived black carbon或biochar)，也叫生物炭、生物质焦，是由植物生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质，属于广义概念上黑碳(black carbon)的一种类型。生物质炭的元素组成主要包括碳（一般高达60%以上）、氢、氧等，其次是灰分（包括钾、钙、钠、镁、硅等）。生物质炭的元素组成由最终炭化温度决定，随着最终炭化温度的升高，其含碳量增加，氢和氧的含量降低，灰分含量亦有所增加。而灰分的元素组成与植物生长地的地质有关。生物质炭不仅由稳定芳香化结构组成，而且还含有许多脂肪族和氧化态碳结构物质。生物质炭颗粒内的碳形式可能取决于植物细胞结构中碳的特征、炭化条件以及形成过程（挥发性物质的浓缩或植物细胞直接炭化）。

我国农业生产中每年都产生大量农作物秸秆等农业废弃物，将这些农业有机废弃物经过厌氧低温热解后生成一种富炭的固体物质称为生物质炭，它是一种优良的吸附剂。生物质炭表面一般带负电荷。细菌的大小在微米级，它主要以胶体颗粒状悬浮与水体中，其表面也带负电荷。因此，带负电荷的生物质炭与带负电荷的细菌之间由于存在静电排斥力，相互之间的作用很弱。

发明内容

技术问题：本发明的目的是去除水体中的大肠杆菌，使其达到可饮用的标准。将农作物秸秆低温热解制备成生物质炭，再用铝离子对秸秆生物质炭进行改性，带正电荷的改性生物质炭与带负电荷的大肠杆菌发生较强相互作用并形成复合体，使大肠杆菌从水土中去除。

技术方案：铝改性秸秆生物质炭在去除水体中大肠杆菌中的应用。

所述铝改性秸秆生物质炭由秸秆生物质炭与0.3～0.6 mol/L AlCl₃溶液按1:10(g/mL)固/液比混合、调节pH至7.0、放置老化48小时制成。

所述秸秆生物质炭由花生秸秆、大豆秸秆、油菜秸秆或稻草中的一种或任意几种的混合在350℃热解而成。

所述铝改性秸秆生物质炭在去除水体中大肠杆菌中的应用，步骤为：将经过铝改性的秸秆生物质炭与含大肠杆菌的水按1g/L的比例混合，旋转振荡，过滤分离固液相；或将含大肠杆菌的水直接流经填装铝改性生物质炭的淋溶柱，待反应达饱和状态后取出生物质炭。

将处理后的生物质炭焚烧，已杀灭大肠杆菌。

所述淋溶柱底部铺一层尼龙布，在尼龙布上均匀铺20目石英砂，再铺60目的石英砂，然后在石英砂上部均匀装入铝改性秸秆生物质炭，在铝改性秸秆生物质炭上部再铺一层尼龙布。

有益效果：当秸秆生物质炭与铝溶液混合时，铝离子在生物质表面吸附，当用NaOH将体系pH调至近中性时，吸附在生物质炭表面的铝离子发生水解反应，形成羟基铝并附着在生物质炭表面。由于铝的羟基化合物表面带大量正电荷，铝改性后生物质炭由原先带负电荷表面转变为带正电荷表面。大肠杆菌大小在微米级，表面带负电荷，一般以胶体颗粒状悬浮于水体中。由于带负电荷的生物质炭表面与同样带负电荷的大肠杆菌之间存在静电排斥力，它们之间的相互作用很弱。但表面带正电荷的铝改性生物质炭与大肠杆菌之间可发生较强的相互作用并形成复合体，使大肠杆菌很容易从水体中去除。铝改性后生物质炭的比表面积也显著增加，为大肠杆菌在生物质炭表面的粘附提供了更多的空间。将生物质炭与铝溶液混合、调节pH后放置48小时可以增加铝与秸秆生物质炭的结合强度及羟基铝在生物质炭表面的均一化，使大肠杆菌能更有效地粘附于铝改性生物质炭表面。改性后的生物质炭仍可用作生物质燃料，因此粘附大肠杆菌后的改性生物质炭可进行焚烧处置，杀灭大肠杆菌，整个过程不产生二次污染。

附图说明

图 1 为未改性和不同初始浓度铝改性的大豆秸秆炭对大肠杆菌粘附量的比较；

图 2 为未改性和0.6 mol/L AlCl₃改性的大豆秸秆炭对大肠杆菌去除率的比较；

图 3 为铝改性花生秸秆炭对大肠杆菌的粘附量；

图 4为铝改性花生秸秆炭对大肠杆菌的去除率；

图 5 为铝改性稻草炭对大肠杆菌的粘附量；

图 6 为铝改性稻草炭对大肠杆菌的去除率；

图 7 为含大肠杆菌的水通过装有铝改性稻草炭的淋溶柱后淋出液大肠杆菌浓度；

图 8 为含大肠杆菌的水通过装有铝改性稻草炭的淋溶柱后大肠杆菌的去除率。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。

若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

不同初始浓度铝改性生物质炭对大肠杆菌的去除效果的比较。

分别在厌氧350℃条件下由风干的大豆秸秆制备生物质炭，再将生物质炭与AlCl₃溶液反应制备铝改性生物质炭。生物炭的具体制备步骤如下：将大豆秸秆风干、磨细过1mm筛。将装满大豆秸秆的陶瓷坩埚置于马弗炉中，按20℃/分钟速度将温度提高至350℃，维持4小时后关闭电源，待马弗炉温度降至室温后取出大豆秸秆炭。铝改性大豆秸秆炭的制备步骤如下：在磁力搅拌条件下将20g大豆秸秆炭添加到200mL 初始浓度为0.3 mol/L的AlCl₃溶液中，再用0.5 mol/L NaOH将pH调至7.0，维持2小时。于25℃恒温培养箱放置48小时后离心分离，用去离子水洗涤1次，再用酒精洗至无Cl^-。室温下风干、磨细。用相同方法将大豆秸秆炭与0.6 mol/L的AlCl₃溶液反应制备铝改性生物质炭。在反应池中将铝改性秸秆生物质炭与含大肠杆菌悬液按1g/L的比例混合，以20转/分钟的速度旋转搅拌70分钟，过滤分离固液相。

图1为大肠杆菌在未改性大豆秸秆炭和铝改性大豆秸秆炭表面的粘附量。大肠杆菌在未经改性的大豆秸秆炭表面的粘附量较低，但经过铝改性后，大肠杆菌在铝改性生物质炭表面的粘附量显著提高。0.6 mol/L AlCl₃改性的生物质炭表面大肠杆菌的粘附量显著高于0.3 mol/L AlCl₃改性的生物质炭。图2为大豆秸秆炭和0.6 mol/L AlCl₃改性大豆秸秆炭对大肠杆菌的去除率，当大肠杆菌初始浓度小于0.63 mg/mL时，0.6 mol/L AlCl₃改性大豆秸秆炭对大肠杆菌的去除率均达100%，大肠杆菌初始浓度为0.83 mg/mL时，0.6mol/L AlCl₃改性大豆秸秆炭对大肠杆菌的去除率也达96%。在上述浓度范围内，未改性大豆秸秆炭对大肠杆菌的去除率在55-78%之间，远低于铝改性大豆秸秆炭。因此，大肠杆菌在0.6 mol/L AlCl₃改性的大豆秸秆炭表面有很高的附着量，铝改性大豆秸秆炭对大肠杆菌有很高的去除率，可用于含大肠杆菌水的净化处理。

实施例2

铝改性花生秸秆炭和稻草炭对大肠杆菌的去除效果的比较。

按实施例1中的方法将350℃下制备的花生秸秆炭和稻草炭与0.6 mol/L的AlCl₃溶液反应制备铝改性生物质炭。再按实施例1中的方法研究大肠杆菌在铝改性生物质炭表面的粘附量和去除率。图3为铝改性花生秸秆炭对大肠杆菌的粘附量。与0.6 mol/L AlCl₃溶液改性的大豆秸秆炭相似，铝改性的花生秸秆炭对大肠杆菌也有很高的粘附量，而未改性花生秸秆炭对大肠杆菌的粘附量很小。图4为铝改性花生秸秆炭对大肠杆菌的去除率。当大肠杆菌的初始浓度低于0.42 mg/mL时，铝改性花生秸秆炭对大肠杆菌的去除率达100%；当大肠杆菌初始浓度为0.63 mg/mL时，铝改性花生秸秆炭对大肠杆菌去除率达96%。在上述浓度范围内，未改性花生秸秆炭对大肠杆菌的去除率在11-30%之间。因此，铝改性花生秸秆炭对水中大肠杆菌有很高粘附量和去除率，可用于含大肠杆菌水的净化处理。

图5为铝改性稻草炭对大肠杆菌的粘附量，铝改性稻草炭对大肠杆菌的粘附量虽略低于铝改性大豆秸秆炭和铝改性花生秸秆炭，但仍比未改性稻草炭对大肠杆菌的粘附量高得多。从图6稻草炭和铝改性稻草炭对大肠杆菌的去除率的结果可以看出，当大肠杆菌的初始浓度小于0.63 mg/mL时，铝改性稻草炭对大肠杆菌的去除率在89%以上，但未改性稻草炭对大肠杆菌的去除率不超过28%。因此，铝改性稻草炭对大肠杆菌也有很好的去除效果，可用于含大肠杆菌水的净化处理。

实施例3

淋溶条件下铝改性稻草炭对大肠杆菌的去除效果。

按实施例2中的方法制备铝改性稻草炭。在内径2cm、长9cm的玻璃淋溶柱底部铺一层尼龙布，在尼龙布上均匀铺3 g 20目石英砂，再铺2 g 60目的石英砂，然后在石英砂上部均匀装入2 g铝改性稻草炭，在稻草炭上部铺一层尼龙布。用蠕动泵从淋溶柱上部均匀加入含0.5 mg/mL大肠杆菌的水，从淋溶柱底部收集淋出液，每10mL为一次采样。图7为淋出液中大肠杆菌的浓度，共连续采样152次，淋出液中大肠杆菌浓度均处于很低水平。图8是淋溶过程中铝改性稻草炭对大肠杆菌的去除率，从152次采样中获得的大肠杆菌的去除率均在95%以上。因此，淋溶条件下铝改性生物质炭对大肠杆菌也表现出很好的去除效果。

用铝离子改性秸秆生物质炭，制备的铝改性秸秆生物质炭表面电荷性质发生变化，由原先的带负电荷转变为在酸性和中性条件下带正电荷，因此可以与表面带负电荷的大肠杆菌发生较强相互作物并形成复合体，使大肠杆菌从水体中去除。改性后的生物质炭仍是一种生物质燃料，处理水体后的生物质炭可进行焚烧处置，杀灭细菌，整个过程不产生二次污染。

Claims

1.铝改性秸秆生物质炭在去除水体中大肠杆菌中的应用。

2.根据权利要求1所述铝改性秸秆生物质炭在去除水体中大肠杆菌中的应用，其特征在于所述铝改性秸秆生物质炭由秸秆生物质炭与0.3～0.6 mol/L AlCl₃溶液按1:10(g/mL)固/液比混合、调节pH至7.0、放置老化48小时制成。

3.根据权利要求1所述铝改性秸秆生物质炭在去除水体中大肠杆菌中的应用，其特征在于所述秸秆生物质炭由花生秸秆、大豆秸秆、油菜秸秆或稻草中的一种或任意几种的混合在350℃热解而成。

4.根据权利要求1所述铝改性秸秆生物质炭在去除水体中大肠杆菌中的应用，其特征在于步骤为：将经过铝改性的秸秆生物质炭与含大肠杆菌的水按1g/L的比例混合，旋转振荡，过滤分离固液相；或将含大肠杆菌的水直接流经填装铝改性生物质炭的淋溶柱，待反应达饱和状态后取出生物质炭。

5.根据权利要求4所述铝改性秸秆生物质炭在去除水体中大肠杆菌中的应用，其特征在于将处理后的生物质炭焚烧，已杀灭大肠杆菌。

6.根据权利要求4所述铝改性秸秆生物质炭在去除水体中大肠杆菌中的应用，其特征在于所述淋溶柱底部铺一层尼龙布，在尼龙布上均匀铺20目石英砂，再铺60目的石英砂，然后在石英砂上部均匀装入铝改性秸秆生物质炭，在铝改性秸秆生物质炭上部再铺一层尼龙布。