CN104138745A - 一种用于有机污染修复的生物碳吸附剂制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于有机污染修复的生物碳吸附剂的制备方法，包括以下步骤：1)将废弃生物质风干后粉碎；2)将生物质颗粒通氮气条件下，升温至420-580℃使生物质碳化，得到用于有机污染修复的生物碳。本发明制得的具有富含芳香基官能团的生物碳吸附材料，可用于有机污染水体或有机污染土壤的修复处理。本发明制备工艺简单，可操作性强，注重生物碳制备时的环保成本和经济成本；针对有机污染环境介质，应用该生物碳可以发挥高效修复、处理效果。

Description

一种用于有机污染修复的生物碳吸附剂制备方法

技术领域

本发明涉及以工农业废弃生物质为原料制备具有特定污染修复功能的生物碳吸附材料的方法。

背景技术

生物质碳具有致密的微孔结构、较高的比表面积，在污染水体和土壤环境修复和治理中受到广泛关注，成为环境污染修复研究的热点。另一方面，生物质碳丰富的含碳官能团组成与其对污染物，特别是有机污染物的修复、钝化能力密切相关。大量研究表明，芳构化程度较高的生物碳对非离子型有机污染物具有较强的吸附、钝化能力；而富含含氧基团(羧基、羟基等)生物碳对于重金属及离子型有机污染物具有较强的吸附钝化能力，但是不利于非离子型有机污染物的吸附。为了实现对特定污染物高效的吸附、钝化，环境工作者常常借助化学改性处理来对生物碳表面官能团进行修饰，额外增加了生物碳制备成本，同时应用化学改性剂也增加了环保成本。因此，寻找、选择经济的生物质原材料，发展环保、高效的生产、制备具有特征官能团组成，适合有机污染土壤修复的生物碳吸附剂工艺显得十分重要。

目前关于生物碳制备工艺缺乏统一的标准，某些现行方法涉及繁琐的程序，增加了生产成本，对于污染物的修复也缺乏针对性，一定程度上也会影响修复效率。更重要的是，不合理的生物碳制备工艺缺乏对生物碳产率的关注，在消耗大量能源的同时，会排放出大量的温室气体。另一方面，高温碳化得到的生物碳含有大量的溶解性有机碳。这些溶解性有机碳在一定程度上会与污染物竞争吸附位点、发生络合反应而降低生物质碳对污染物的吸附、钝化能力。到目前为止，生物碳中溶解性有机碳的环境风险还没有受到应有的重视。

我国农业废弃生物质资源十分丰富，大量以作物秸秆为主的生物质作为家庭能源来源能效较低，也不利于温室气体和大气环境质量的控制。通过集约化科学处理，把废弃物转化为生物质碳可以减少温室气体的排放，增加固碳量，同时可以作为经济高效的污染修复钝化剂。通过本生产工艺所制备的生物碳吸附剂具有相对较高的芳香基官能团，以及较大的比表面积，同时去除了生物碳生产过程中所产生的溶解性有机碳，使得对有机污染物的吸附、钝化能力显著提高，从而显著降低有机污染物在环境介质中的有效含量，适合各种非离子有机污染水体及土壤的修复处理。

发明内容

本发明的目的提供一种用于有机污染修复的生物碳吸附剂制备方法，以提高生物碳修复污染水体、土壤等环境介质的效率。

为实现上述目的，本发明提供的用于有机污染修复的生物碳吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

1)将废弃生物质风干后粉碎；

2)将生物质颗粒通氮气条件下，升温至420-580℃使生物质碳化，得到用于有机污染修复的生物碳。

所述的制备方法，其中，废弃生物质为玉米、小麦、水稻、秸秆、蔗渣及锯末中的一种或几种。

所述的制备方法，其中，废弃生物质的粉碎粒度小于5mm。

所述的制备方法，其中，通氮速率为每分钟0.2-4倍反应器体积。

所述的制备方法，其中，升温速率低于20℃/分钟。

所述的制备方法，其中，碳化时间为0.5-8小时。

所述的制备方法，其中，生物碳在使用前分别以去离子水以1:10-1:100固液比洗涤处理2-4次，每次2-3小时，处理后的固体，经风干或低温烘干即得到生物碳吸附材料。

所述的制备方法，其中，有机污染物为多环芳烃、芳香基硝基类化合物和多氯联苯。

本发明提出的生物碳制备方法，在最大程度上满足节能、降低制备过程中温室气体的排放、提高生物碳产率。

本发明制备方的生物碳吸附剂富含芳香基碳和较大比表面积，对非离子型有机污染物具有较强的吸附、钝化能力。因此，通过该方法利用废弃生物质制备的生物碳，可以用于水体中持久性有机污染物的吸附处理、有机污染土壤的钝化修复工作。有机污染物主要包括多环芳烃、芳香硝基化合物、多氯联苯等非离子有机化合物。

具体实施方式

本发明是利用农业废弃生物质，提供调节控制碳化条件，实现制备具有富含特征官能团的生物碳的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)将废弃生物质(玉米、小麦、水稻、秸秆，蔗渣及锯末等)，风干后简单粉碎，得到小于5mm颗粒生物质；

2)将生物质颗粒置于反应器，将生物质颗粒置于反应器，在以每分钟0.2-4倍反应器体积氮气速率通氮气条件下，升温至420-580℃并保持0.5-8小时(升温速率低于20℃/分钟)，使生物质充分碳化，得到富含芳香基生物碳；

3)制备得到的两种生物碳在使用前分别以去离子水以1:10-1:100固液比洗涤处理2-4次，每次2-3小时，去除生物碳中所含溶解性有机碳，得到的固体进行风干或低温烘干即可得到具有富含芳香基官能团的生物碳吸附材料。

上述方法制得生物碳吸附剂富含芳香基碳和较大比表面积，对非离子型有机污染物具有较强的吸附、钝化能力。因此，通过该方法利用废弃生物质制备的生物碳，可以用于水体中持久性有机污染物的吸附处理、有机污染土壤的钝化修复工作。有机污染物主要包括多环芳烃、芳香硝基化合物、多氯联苯等非离子有机化合物。

实施例1

将玉米秸秆残体，简单粉碎成5mm左右颗粒，将秸秆颗粒置于反应器中，于500℃和通氮(每分钟1体积反应器氮气)条件下，碳化1小时，生物碳产率为31％，其溶解性有机碳含量为2.4g/kg；经去离子水以1:50固液比洗涤3次，制得生物碳吸附剂为BC-1。

实施例2

将蔗渣残体，风干后，将残体简单剪碎至小于5mm颗粒，将蔗渣颗粒置于反应器中，于500℃和通氮(每分钟1体积反应器氮气)条件下，碳化1小时，生物碳产率为27％，其溶解性有机碳含量高达2.2g/kg；经去离子水以1:50固液比洗涤3次，制得生物碳吸附剂为BC-2。

实施例3

将锯末风干后直接置于反应器中，于500℃和通氮(每分钟2体积反应器氮气)条件下，碳化2小时，生物碳产率为24％，其溶解性有机碳含量高达10g/kg；经去离子水以1:50固液比洗涤3次，制得生物碳吸附剂为BC-3。

实施例4

通过与300℃条件下制备所得玉米秸秆、蔗渣、锯末生物碳相比，元素组成分析结果表明，500℃条件下所制得玉米秸秆生物碳含碳量分别提高9％、29％和80％，含氧量降低7.5％、41％和49％；比表面积(N2吸附法)分别提高近10、15和30倍；核磁共振(NMR)及红外(FTIR)谱学分析结果表明，500℃条件下所制得玉米秸秆生物碳中芳香基含量比300℃生物碳高1、1.2和2倍。

实施例5

通过与500℃条件下不通氮气制备所得玉米秸秆、蔗渣、锯末生物碳相比，理化性质分析结果表明，通氮条件下所制得生物碳产率提高30％以上；含碳量提高15％以上；芳香基含量提高150％以上。

实施例6

取5mg生物碳吸附剂(如BC-1、BC-2、BC-3)与10mL菲溶液(固液比为1:2000)加入15mL玻璃离心管内，25℃下振荡24小时(反应达到相对平衡)。菲的浓度范围为0.02-1.0mg/L。实验测得菲的吸附率达100％。而未洗涤生物吸附剂在相同条件下对菲的吸附率分别为76％、83％和90％。

实施例7

取10mg生物碳吸附剂(如BC-1、BC-2、BC-3)与10mL1,3-二硝基苯溶液(固液比为1:1000)加入15mL玻璃离心管内，25℃下振荡24小时(反应达到相对平衡)。1,3-二硝基苯的浓度范围为20-100mg/L。实验测得二硝基苯的吸附率大于95％。而未洗涤生物吸附剂在相同条件下对二硝基苯的吸附率为65％、68％和79％。

实施例8

取20mg生物碳吸附剂(如BC-1、BC-2、BC-3)与加入、混匀到1.0g多环芳烃污染土壤中，多环芳烃(菲、芘、苯并(a)芘)污染浓度分别为10mg/kg，菲加入无菌去离子水至添加持水量，并在25℃、黑暗环境下振荡平衡培养7天，然后测定土壤中有效态多环芳烃含量(正丁醇提取)。对比未加生物碳吸附剂土壤，加入生物碳土壤中多环芳烃有效态含量降低了87％以上。

Claims (8)

1.一种用于有机污染修复的生物碳吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

1)将废弃生物质风干后粉碎；

2)将生物质颗粒通氮气条件下，升温至420-580℃使生物质碳化，得到用于有机污染修复的生物碳。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，废弃生物质为玉米、小麦、水稻、秸秆、蔗渣及锯末中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，废弃生物质的粉碎粒度小于5mm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，通氮速率为每分钟0.2-4倍反应器体积。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，升温速率低于20℃/分钟。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其中，碳化时间为0.5-8小时。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其中，生物碳在使用前分别以去离子水以1:10-1:100固液比洗涤处理2-4次，每次2-3小时，得到的固体风干或低温烘干。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其中，有机污染物为多环芳烃、芳香基硝基类化合物和多氯联苯。