CN103864169A - 一种利用生物炭去除污水中除草剂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用生物炭去除污水中除草剂的方法，包括如下具体步骤：（1）将农林废弃物处理成干燥的粉末状生物质原材料；（2）将生物质原材料置入绝氧并通保护气体且密封的处理器中，进行两阶段的升温处理，第一阶段的升温处理为从常温快速升温至220℃～260℃，第二阶段的升温处理为从第一阶段的终温慢速升至350℃～750℃，继续隔氧裂解1-3小时；（3）然后冷却至室温，将步骤（2）得到的物质依次经过研磨过筛、活化剂活化2-6个小时、洗涤和烘干后得到固体生物炭；（4）将固体生物炭和受农药污染的水按固液比例0.5%～10%充分混合，恒温避光振荡，以去除各种除草剂。本发明的方法成本低廉、处理效果好，且有益于农林废弃物资源化循环利用。

Description

一种利用生物炭去除污水中除草剂的方法
技术领域
本发明涉及生物质资源化利用和环境污染修复领域，尤其涉及一种农业生产过程中利用生物炭去除污水中除草剂等农药残留的方法。
背景技术
化学农药由于其在控制有害生物中发挥着举足轻重的作用，己经成为农业生产与城市绿化的必要物质保障，其应用范围也从开始的农作物害虫防治扩展到如今的除草、植物生长调节等诸多领域。中国是农业大国，农药生产和使用量均列世界前茅。适当的使用化学农药可以有效地起到防治病虫草害的作用，增加农作物的产量，提高农民的年收入。据统计，农作物病虫草害引起的损失可达35%～45%，每年通过正确使用农药可以挽回大约40%左右的农业总产值损失。当前，中国每年仅仅在农业上使用的农药量就高达30万吨，可以说农药是农业生产与发展的基础保障，而除草剂的使用更是超过农药总使用量的30%。近年来，随着农产品收购价格的不断提升、抗药性杂草的产生以及少耕和免耕栽培面积的扩大，使得灭生性除草剂（如草甘膦、百草枯），酰胺类除草剂（如乙草胺、异丙草胺、丁草胺），三氮苯类除草剂（如莠去津、氰草津、西玛津、扑草津）和磺酰脲类除草剂（如烟嘧磺隆、砜嘧磺隆）等品种市场需求呈上升趋势。其中不少是中国以外的国家和地区早已禁止使用或限制使用的剧毒、高残留农药，不仅对环境造成污染，其中有些甚至还直接危害到人体的健康。故中国农业部、工信部、国家质检总局于2012年4月24日联合发布第1745号公告，自2014年7月1日起，停止百草枯水剂生产，2016年7月1日停止百草枯水剂在中国内销售和使用。由于除草剂的大量使用给农业生态系统带来的种种问题，故寻求合适的技术手段防治和修复受污染农业环境迫在眉睫。
生物炭（biochar）属于黑炭（black char）范畴的一种，具有农用意义、能源生产、环境效益等多方面重要性，通过一定技术手段制备的生物炭在改良土壤肥力、碳库中的“增汇减排”作用和环境污染修复手段等方面已经显示出其突出的功效，并且由于制备生物炭的原材料来源广泛，使得其在农业和环境中具有广阔的应用前景，近年来成为土壤学和环境科学领域的研究热点。生物炭影响农业土壤环境中持久性有机物污染物、重金属、农药、氮磷等的形态、迁移转化、生物有效性及生态效应等均已被广泛的研究人员所报道。来源于植物的农林废弃物主要是由C、H、O、N、S等元素组成，富含多种可利用生物质，其中纤维素和半纤维素是重要的两种。作为传统的农业大国，中国生物质种类多样、分布广泛，资源丰富，每年产生的农林废弃物达到7亿多吨，利用炭化技术制成生物炭是一种变废为宝的新途径，同时有助于解决农业环境问题，发展前景广阔。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种利用生物炭去除污水中除草剂的方法，采用农林生产过程中产生的废弃物作为生物质原料制备生物炭，并用此生物炭去除污水中的除草剂，成本低廉、处理效果好，且有益于农林废弃物资源化循环利用。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：
一种利用生物炭去除污水中除草剂的方法，包括如下具体步骤：
（1）将农林废弃物处理成干燥的粉末状生物质原材料；
（2）将生物质原材料置入绝氧、通保护气体且密封的处理器中，进行两阶段的升温处理，第一阶段的升温处理为从常温快速升温至220℃～260℃，第二阶段的升温处理为从第一阶段的终温慢速升至350℃～750℃，继续隔氧裂解1-3个小时；
（3）然后冷却至室温，将步骤（2）得到的物质依次经过研磨、活化剂活化、洗涤和烘干后得到固体生物炭；
（4）将固体生物炭和受农药污染的水按固液比例0.5%～10%充分混合，恒温避光振荡，以去除各种除草剂。
优选地，所述农林废弃物为植物源农林废弃物或动物源畜禽粪便，所述植物源农林废弃物为水稻秸秆、水稻壳、木屑、中药渣、花生壳中的任意一种或多种；所述动物源畜禽粪便为鸡粪、猪粪、牛粪中的任意一种或多种。
优选地，步骤（1）中，将农林废弃物依次经过除杂、洗涤、干燥和粉碎，得到干燥的粉末状生物质原材料，其中，干燥条件为：在烘箱中100～120℃下烘烤6～24小时。
优选地，所述处理装置为气氛箱式炉或真空管式炉，通过抽真空和通入保护气体使所述处理装置内腔形成真空或绝氧状态。
优选地，进行第一阶段的升温处理时，升温速率为6℃/min～10℃/min。
优选地，进行第二阶段的升温处理时，升温速率为2℃/min～4℃/min。
优选地，第一阶段的升温处理时，当升温到终温后保温25～55分钟。
优选地，所述除草剂包括阿特拉津、草甘膦、百草枯、异丙隆、异丙甲草胺的一种或多种。
优选地，步骤（3）中，研磨后经过20～100目筛。
优选地，步骤（4）中，所述恒温避光震荡为：在24℃～26℃的恒温下震荡12小时～48小时。
本发明利用生物炭去除污水中除草剂的方法，由于采用合适工艺制备得到生物炭，再用此生物炭与受农药污染的水按合适的固液比混合，然后按合理的方法进行处理，因而具有如下有益效果：
（1）本发明所用的生物炭，其制备工艺简单，实验室内即可完成，利用水稻秸秆、水稻壳、木屑、中药渣、花生壳、鸡粪、猪粪、牛粪等农林废弃生物质为原材料，价格低廉，原料充足易得，且有益于环境保护；
（2）本发明所用的生物炭，具有疏松多孔特征，比表面积大、表面能高，生物炭表面官能团包括羧基、酚羟基、羰基、酸酐、内酯等多种基团，并具有很大的阳离子交换量（CEC），这些特征构成了生物炭具有良好的吸附特性，能够对污水中的除草剂进行有效吸附，去除率高；
（3）本发明所用的生物炭有助于环境中CO2的固定，同时有利于减少温室气体的排放，对气候变暖这个全球性问题的减缓具有积极的促进作用；
（4）本发明所用的生物炭，其制备的同时产生的生物焦油、气体燃料等属于能源化工领域，可以增加附加值，降低生产成本。
附图说明
图1是本发明利用生物炭去除污水中除草剂的方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，本发明的利用生物炭去除污水中除草剂的方法，包括如下步骤：
（1）将农林废弃物进处理成干燥的粉末状生物质原材料；
其中，农林废弃物生物质可为稻杆或稻壳、木屑、中药渣、花生壳等等；
处理手段可包括除杂、洗涤、干燥、粉碎过筛；
（2）将生物质原材料置入绝氧、通保护气体且密封的处理器中，进行两阶段的升温处理，第一阶段的升温处理为从常温快速升温至220℃～260℃，第二阶段的升温处理为从第一阶段的终温慢速升至350℃～750℃，继续隔氧裂解1-3个小时；
其中，处理器中采用抽真空、通氮气等保护气体、密封的处理，形成处理环境。在此步骤中，通过快速升温，使生物质裂解，排出水分、硫化物、可燃气体；然后再通过慢速升温至高温，在高温下隔氧裂解，排出木醋液、生物焦油，得到的生物焦油回收利用；
（3）然后冷却至室温，将步骤（2）得到的物质依次经过研磨、活化剂活化、洗涤和烘干后得到固体生物炭；
（4）将固体生物炭和受农药污染的水按固液比例0.5%～10%充分混合，恒温避光振荡，以去除各种除草剂。
本发明的利用生物炭去除污水中除草剂的方法中涉及的农林废弃物制备生物炭的产率计算公式如下：
Figure BDA0000483319200000061
其中，M（烧前原料）代表制备前生物质的质量，M（烧后产物）代表制备后生物炭的质量。
本发明的利用生物炭去除污水中除草剂的方法中涉及的污物中污染物的定性定量分析方法使用高效液相色谱法（HPLC）：
除草剂采用Waters2695型高效液相色谱仪进行定量分析，色谱条件如下：
检测器：Waters2489紫外可见光可变波长检测器
柱温箱：30℃
色谱工作站：EmpowerTM2
固定相：Waters Atlantis HILIC，XTerra MS C18，Symmetry Shield RP18（5μm，4.6×150mm）
流动相：水/甲醇/乙腈
进样量：10μL
检测波长：254nm
本发明的利用生物炭去除污水中除草剂的方法中除草剂的去除率计算公式如下：
Figure BDA0000483319200000071
其中，C0表示吸附实验前除草剂的初始浓度，C1表示的是吸附实验结束后除草剂的浓度。
实施例1
本实施例的利用生物炭去除污水中除草剂的方法，包括如下步骤：
将收集到的水稻秸秆去除杂质后，用自来水洗涤干净，自然风干后置于100℃烘箱内烘干24小时，粉碎成稻秆颗粒后放入气氛箱式炉，密封，抽真空，通入保护气体氮气，以6℃/min的速度快速升至220℃，停留30min，然后以2℃/min的速度缓慢升至350℃，继续隔氧裂解3小时，冷却至室温，然后取出产物，研磨过20目筛，用1mol/L盐酸浸泡活化，蒸馏水洗涤和烘干后得到水稻秸秆生物炭，水稻秸秆生物炭的产率为43.9%。将制得的水稻秸秆生物炭和具有一定浓度的阿特拉津水溶液按固液比例为0.5%进行充分混合，恒温避光振荡12小时进行吸附实验，阿特拉津的去除率为79.4%，可见，采用本实施例的方法，污水中除草剂去除效果良好。
实施例2
本实施例的利用生物炭去除污水中除草剂的方法，包括如下步骤：
将收集到的水稻壳去除杂质后，用自来水洗涤干净，自然风干后置于120℃烘箱内烘干6小时，粉碎成稻壳颗粒后放入气氛箱式炉，密封，抽真空，通入保护气体氮气，以8℃/min的速度快速升至250℃，停留25min，然后以3℃/min的速度缓慢升至550℃，继续隔氧裂解2小时，冷却至室温，然后取出产物，研磨过60目筛，用3mol/L盐酸浸泡活化，蒸馏水洗涤和烘干后得到水稻壳生物炭，水稻壳生物炭的产率为38.4%。将制得的水稻壳生物炭和具有一定浓度的异丙隆水溶液按固液比例为3%进行充分混合，恒温避光振荡24小时进行吸附实验，异丙隆的去除率为97.6%，可见，采用本实施例的方法，污水中除草剂去除效果良好。
实施例3
本实施例的利用生物炭去除污水中除草剂的方法，包括如下步骤：
将收集到的木屑去除杂质后，用自来水洗涤干净，自然风干后置于100℃烘箱内烘干12小时，粉碎成木屑粉粒后放入气氛箱式炉，密封，抽真空，通入保护气体氮气，以10℃/min的速度快速升至260℃，停留45min，然后以4℃/min的速度缓慢升至750℃，继续隔氧裂解1小时，冷却至室温，然后取出产物，研磨过100目筛，用2mol/L盐酸浸泡活化，蒸馏水洗涤和烘干后得到木屑生物炭，木屑生物炭的产率为26.1%。将木屑生物炭和具有一定浓度的百草枯水溶液按固液比例为5%进行充分混合，恒温避光振荡24小时进行吸附实验，百草枯的去除率为92.3%；可见，采用本实施例的方法，污水中除草剂去除效果良好。
实施例4
本实施例的利用生物炭去除污水中除草剂的方法，包括如下步骤：
将收集到的中药渣去除杂质后，用自来水洗涤干净，自然风干后置于120℃烘箱内烘干24小时，粉碎成中药渣颗粒后放入气氛箱式炉，密封，抽真空，通入保护气体氮气，以6℃/min的速度快速升至240℃，停留55min，然后以4℃/min的速度缓慢升至550℃，继续隔氧裂解2小时，冷却至室温，然后取出产物，研磨过20目筛，用1mol/L盐酸浸泡活化，蒸馏水洗涤和烘干后得到中药渣生物炭，中药渣生物炭的产率为27.9%；将制得的中药渣生物炭和具有一定浓度的草甘膦水溶液按固液比例为10%进行充分混合，恒温避光振荡18小时进行吸附实验，草甘膦的去除率为99.2%，可见，采用本实施例的方法，污水中除草剂去除效果良好。
实施例5
本实施例的利用生物炭去除污水中除草剂的方法，包括如下步骤：
将收集到的水稻秸秆去除杂质后，用自来水洗涤干净，自然风干后置于100℃烘箱内烘干12小时，粉碎成稻秆颗粒后放入气氛箱式炉，密封，抽真空，通入保护气体氮气，以10℃/min的速度快速升至250℃，停留30min，然后以2℃/min的速度缓慢升至350℃，继续隔氧裂解3小时，冷却至室温，然后取出产物，研磨过60目筛，用3mol/L盐酸浸泡活化，蒸馏水洗涤和烘干后得到水稻秸秆生物炭，水稻秸秆生物炭的产率为43.9%；将本制得的水稻秸秆生物炭和具有一定浓度的异丙隆水溶液按固液比例为1%进行充分混合，恒温避光振荡24小时进行吸附实验，异丙隆的去除率为94.6%，可见，采用本实施例的方法，污水中除草剂去除效果良好。
实施例6
本实施例的利用生物炭去除污水中除草剂的方法，包括如下步骤：
将收集到的水稻壳去除杂质后，用自来水洗涤干净，自然风干后置于110℃烘箱内烘干18小时，粉碎成稻壳颗粒后放入气氛箱式炉，密封，抽真空，通入保护气体氮气，以8℃/min的速度快速升至240℃，停留50min，然后以4℃/min的速度缓慢升至750℃，继续隔氧裂解2小时，冷却至室温，然后取出产物，研磨过100目筛，用1mol/L盐酸浸泡活化，蒸馏水洗涤和烘干后得到水稻壳生物炭，水稻壳生物炭的产率为35.8%；将制得的水稻壳生物炭和具有一定浓度的异丙隆水溶液按固液比例为2%进行充分混合，恒温避光振荡48小时进行吸附实验，异丙隆的去除率为99.3%，可见，采用本实施例的方法，污水中除草剂去除效果良好。
实施例7
本实施例的利用生物炭去除污水中除草剂的方法，包括如下步骤：
将收集到的中药渣去除杂质后，用自来水洗涤干净，自然风干后置于100℃烘箱内烘干24小时，粉碎成中药渣颗粒后放入气氛箱式炉，密封，抽真空，通入保护气体氮气，以10℃/min的速度快速升至250℃，停留40min，然后以2℃/min的速度缓慢升至350℃，继续隔氧裂解3小时，冷却至室温，然后取出产物，研磨过60目筛，用3mol/L盐酸浸泡活化，蒸馏水洗涤和烘干后得到中药渣生物炭，中药渣生物炭的产率为38.5%；将制得的中药渣生物炭和具有一定浓度的百草枯水溶液按固液比例为2%进行充分混合，恒温避光振荡12小时进行吸附实验，百草枯的去除率为74.2%，可见，采用本实施例的方法，污水中除草剂去除效果良好。
对照例
将市售的生物炭和具有一定浓度的异丙隆水溶液按固液比例为2%进行充分混合，恒温避光振荡12小时进行吸附实验，异丙隆的去除率为86.9%。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用生物炭去除污水中除草剂的方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
（1）将农林废弃物处理成干燥的粉末状生物质原材料；
（2）将生物质原材料置入绝氧、通保护气体且密封的处理器中，进行两阶段的升温处理，第一阶段的升温处理为从常温快速升温至220℃～260℃，第二阶段的升温处理为从第一阶段的终温慢速升至350℃～750℃，继续隔氧裂解1-3小时；
（3）然后冷却至室温，将步骤（2）得到的物质依次经过研磨、活化剂活化、洗涤和烘干后得到固体生物炭；
（4）将固体生物炭和受农药污染的水按固液比例0.5%～10%充分混合，恒温避光振荡，以去除各种除草剂。
2.根据权利要求1所述的基于农林废弃物制备生物炭的方法，其特征在于，所述农林废弃物为植物源农林废弃物或动物源畜禽粪便，所述植物源农林废弃物为水稻秸秆、水稻壳、木屑、中药渣、花生壳中的任意一种或多种；所述动物源畜禽粪便为鸡粪、猪粪、牛粪中的任意一种或多种。
3.根据权利要求1所述的利用生物炭去除污水中除草剂的方法，其特征在于，步骤（1）中，将农林废弃物依次经过除杂、洗涤、干燥和粉碎，得到干燥的粉末状生物质原材料，其中，干燥条件为：在烘箱中100～120℃下烘烤6～24小时。
4.根据权利要求1所述的利用生物炭去除污水中除草剂的方法，其特征在于，所述处理装置为气氛箱式炉或真空管式炉，通过抽真空和通入保护气体使所述处理装置内腔形成真空或绝氧状态。
5.根据权利要求1所述的利用生物炭去除污水中除草剂的方法，其特征在于，进行第一阶段的升温处理时，升温速率为6℃/min～10℃/min。
6.根据权利要求1所述的利用生物炭去除污水中除草剂的方法，其特征在于，进行第二阶段的升温处理时，升温速率为2℃/min～4℃/min。
7.根据权利要求1所述的利用生物炭去除污水中除草剂的方法，其特征在于，进行第一阶段的升温处理时，当升温到终温后保温25～55分钟。
8.根据权利要求1所述的利用生物炭去除污水中除草剂的方法，其特征在于，所述除草剂包括阿特拉津、草甘膦、百草枯、异丙隆、异丙甲草胺的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的利用生物炭去除污水中除草剂的方法，其特征在于，步骤（3）中，研磨后经过20～100目筛。
10.根据权利要求1所述的利用生物炭去除污水中除草剂的方法，其特征在于，步骤（4）中，所述恒温避光震荡为：在24℃～26℃的恒温下震荡12小时～48小时。
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