CN106105453A - 碳纳米材料对堆肥浸提液重金属竞争吸附的调控方法 - Google Patents

碳纳米材料对堆肥浸提液重金属竞争吸附的调控方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106105453A
CN106105453A CN201610442874.1A CN201610442874A CN106105453A CN 106105453 A CN106105453 A CN 106105453A CN 201610442874 A CN201610442874 A CN 201610442874A CN 106105453 A CN106105453 A CN 106105453A
Authority
CN
China
Prior art keywords
heavy metal
compost
soil
content
carbon nanomaterial
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201610442874.1A
Other languages
English (en)
Inventor
多立安
赵树兰
卢云峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Tianjin Normal University
Original Assignee
Tianjin Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin Normal University filed Critical Tianjin Normal University
Priority to CN201610442874.1A priority Critical patent/CN106105453A/zh
Publication of CN106105453A publication Critical patent/CN106105453A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01B—SOIL WORKING IN AGRICULTURE OR FORESTRY; PARTS, DETAILS, OR ACCESSORIES OF AGRICULTURAL MACHINES OR IMPLEMENTS, IN GENERAL
    • A01B79/00—Methods for working soil
    • A01B79/02—Methods for working soil combined with other agricultural processing, e.g. fertilising, planting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
    • C05F—ORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
    • C05F9/00—Fertilisers from household or town refuse
    • C05F9/04—Biological compost
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A40/00—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production
    • Y02A40/10—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in agriculture
    • Y02A40/20—Fertilizers of biological origin, e.g. guano or fertilizers made from animal corpses

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Soil Sciences (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)

Abstract

本发明公开了碳纳米材料对堆肥浸提液复合体系重金属竞争吸附的调控方法。配制含有Cu2+、Pb2+、Cd2+三种重金属离子的混合溶液，其浓度比为6：4：1；将配置的重金属混合溶液与堆肥浸提液按质量比为1：2加以混合；称取10mg碳纳米材料与锥形瓶中，分别向锥形瓶中加入重金属混合溶液20 ml或单纯的堆肥浸提液20 ml，振荡6 h后过滤后进行测定。本发明进一步公开了碳纳米材料对堆肥浸提液复合体系重金属竞争吸附的调控方法在提高对重金属Cu2+、Cd2+，Pb2+吸附能力方面的应用。其中对重金属的吸附能力指的是：石墨烯、氧化石墨烯、多壁碳纳米管对Cd、Cu、Pb的吸附。

Description

碳纳米材料对堆肥浸提液重金属竞争吸附的调控方法
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，涉及一种碳纳米材料对堆肥浸提液复合体系重金属竞争吸附的调控方法。
背景技术
生活垃圾主要指居民日常生活、生产中产生的固体废弃物。全球生活垃圾从2005至2025年将增长51%。我国生活垃圾年均增长超过15%，全国垃圾堆积累计侵占土地超过5亿平方米。到2015年，我们部分城市的生活垃圾年产量预计将超过1000万吨。生活垃圾物理成分分布主要为玻璃、砖瓦、煤渣灰土等无机物和植物、纤维、塑料、纸等有机物，其中可堆腐物占到30%以上。化学成分主要为水分、N、P、K、有机质等，部分地区生活垃圾水分含量超过50%。
目前常用的生活垃圾处理方法主要有卫生填埋、焚烧和高温堆肥。卫生填埋已成为大多是城市处理生活垃圾的主要方法。但卫生填埋占据大量用地，随着生活垃圾日产量逐年提高，垃圾围城现象愈加严重，并且含水率较高的垃圾直接堆埋产生的渗沥液较多，其中含有较多有害物质，并且产生大量温室气体，极易造成二次污染。焚烧处理使可燃垃圾燃烧转化为残渣，减少垃圾填埋量，并且高温燃烧杀死其中的病原体和寄生菌，产生的热能可用于供热发电。但焚烧将部分污染物由固态转化为气态，尾气含有复杂的污染物质，尤其会产生二恶英剧毒物质，在环境中有很强的滞留性。堆肥处理是指通过微生物在一定的人工条件下，发酵降解垃圾中的有机物形成稳定的腐殖质的过程，是一种资源化、稳定化、无害化的固废处置方式。生活垃圾经堆肥化处理后，富含有机质、氮、磷等养分，并且无害化处理后可以作为肥料改善土壤环境，有较好的应用前景，同时也需指出的是，生活垃圾堆肥也存在其中重金属含量较高等风险。各处理方式要求垃圾的成分是不同的，单一模式处理无法实现真正的无害化。针对垃圾不同主成分采用多种处理方法相结合，成为现在垃圾处理的大势所趋。
垃圾堆肥中含有丰富的有机质以及植物生长所需的营养物质。研究表明，生活垃圾堆肥中的有机物、N、K、木质素含量较高，将堆肥作为肥料添加到土壤中，能够提高土壤肥力、增加土壤持水能力、改善土壤的理化性质、促进植物生长、提高作物产量。有研究表明，将农田废弃物堆肥和化肥分别和施入土壤，并种植圆白菜，对比作物的生长状况，害虫数量以及经济效益等。结果表明，虽然施加对堆肥的土壤中害虫数量是施加化肥的两倍，但是，经济效益是其3倍。张春英按不同比例混合垃圾堆肥和原土后，添加5%~20%的垃圾堆肥能够显著提高有机质、速效磷和全氮含量，增加花卉地上地下干重；其中，添加10% 堆肥时，地下干重是对照的3.61倍。有研究表明，利用堆肥改善土壤后种植菊苣，土壤的肥力显著增加，菊苣显著增产。唐少杰在施入堆肥的土壤上轮作冬小麦和夏玉米，作物施用生活垃圾堆肥后玉米增产率明显增加，达到43.4%，小麦增产率2008年度，2009年度分别为53.6%和99.2%。还有研究表明，在沙质土壤中施用堆肥可以提高土壤中的碳氮比，增加P、K、Mg含量，并且有益于增加土壤腐殖质。但是，来自工业区的堆肥即使少量施加，也会引起重金属含量的显著增加。如果不考虑重金属的影响，添加堆肥可以显著提高土壤质量。
我国生活垃圾堆肥受到源头垃圾分类不明确的因素影响，生活垃圾中混杂着电池、电子器械等富含重金属的材料。李七伟等研究表明，生活垃圾经过堆肥处理后，重金属总量变化不明显，其中Hg、Pb、Cr等元素稳定态含量上升。张静等研究表明，Pb、Cd、Zn在堆肥过程中由其他形态向Fe-Mn结合态转化，但是由于堆肥过程中pH降低，Pb、Cu、Zn的生物有效态略微增加。施用生活垃圾堆肥会增加土壤中重金属含量，与此同时增加了土壤中重金属向植物体内的转移，从而带来一定的生态风险。邵华伟研究施入生活垃圾堆肥后玉米各器官重金属分布的规律为：根>茎>叶>籽粒，结果表明连续3年施肥土壤中的养分含量提高，但是重金属含量也积累，其中Cd含量为0.416 mg·kg-1，Pb为21.6 mg·kg-1，3年内暂时不会引起土壤重金属污染。葛春辉的研究到了相似的结果，施用垃圾堆肥后，土壤的有机质和速效养分随堆肥含量增加而增加，但是，负面影响是重金属含量同时随之增加，籽粒中Cr、Cd的增幅达38.6%~450%，虽然尚未超过国家标准，但长期使用需要进一步监测。由此可见，施用生活垃圾堆肥在一定程度上提高土壤重金属含量，进而增加种植作物体内重金属含量，堆肥农用在短期内可以提高土壤肥力，但是多年施用需要及时监测。
城市生活垃圾堆肥在草坪建植体系中的应用，具有重要的生态意义。草坪作为城市绿化建设的主要组成部分，给城市居民提供休闲娱乐的场所。能否拥有优质的草坪绿地，是城市现代化的重要衡量标准之一。现在城市绿化用地多为旧城拆迁地或建筑用地等，土质较差缺乏肥力，传统草坪建植采用整体铺设草皮卷，消耗了大量的优质农田。草坪施肥可以有效的改善草坪质量，及时给草坪补充养分可以提高草坪品质，添加堆肥后，可以提高草坪植物的发芽率。堆肥对草坪植物生态和质量特征有显著影响，添加后能提高草坪草的生物量，促进生长；并且加快植物返青，对第二年植物的密度、质地、盖度等均有促进作用。有研究表明，在狼牙草草坪建植中添加12.5%的堆肥，能够显著提高草坪质量，促进根叶生长，垃圾堆肥能够明显改善土壤、提高肥效，增加土壤中养分含量。此外，堆肥可以作为无土草皮基质。将生活垃圾堆肥和豆秸秆制成复合基质，在低配豆秸的配比下，种子萌发、地上单株净光合量和叶绿素均有提高，可以利用堆肥和豆秸秆复合基质替代土壤建植草坪。在不同粒径的生活垃圾堆肥种植高羊茅，结果表明，小粒径(300-600nm)的生活垃圾堆肥能够提高高羊茅的叶绿素含量，并且促进根的生长，并且在水分胁迫下能够缓解干旱伤害，提高抗旱性。对微生物和土壤动物而言，添加堆肥可以抑制草坪病原菌，不但可以减少草坪疾病，而且减缓了草坪的抗药性。添加堆肥后，草坪建值体系中土壤线虫的优势属发生了变化，抑制植物寄生类群的生长繁殖，为草坪生长创作了良好的环境。
将生活垃圾堆肥用于草坪建植体系能够有效的改善土壤的有机质、营养物质含量，并且草坪植物富集的重金属不沿食物网富集，进入人体危害健康的风险减少。但是，长期使用土壤重金属的积累仍然不可小窥，此外，土壤中重金属受到土壤淋溶作用向下迁移，导致地下水重金属污染。降低堆肥中重金属危害将会给堆肥的合理化利用提供更广阔的空间。
大多数重金属是过渡性元素。土壤环境中，重金属在一定幅度内会发生氧化还原反应，不同价态的重金属具有不同的活性和毒性。土壤重金属污染具有范围广、持续时间长、隐蔽性强、通过食物链富集、治理难度大、不可逆性等特点。大量生物分析与毒理研究表明，环境中重金属元素的生物活性、毒性以及重金属的迁移转化过程和其在环境中的存在形态密切相关。因此只依靠重金属总量很难表明重金属的污染特征。
重金属在土壤中形成不同的化学形态，易被土壤介质吸附。但是在各种因素的影响下，重金属会发生迁移和转换。重金属在土壤中的迁移是一个十分复杂的过程，是物理迁移、物理化学迁移和生物迁移三种迁移方式共同作用的结果，导致了重金属在土壤中迁移的难以预测性。
在吸附研究中，吸附量是很重要的物理量。在恒定温度下，吸附量与溶液平衡浓度的关系曲线称为吸附等温线。由吸附等温线的形状和变化规律可以了解吸附质和吸附剂的作用强弱，界面上吸附质的状态和吸附层结构。
人工修复土壤重金属污染的途径可归纳为3种：去除土壤中的重金属，主要以新土置换、植物提取等方法；对重金属污染进行隔离；改变重金属的存在形态，降低其迁移性和生物可利用性，以至于能长期稳定地存在于土壤中，以原位固定以及微生物修复为主要代表。
重金属污染土壤原位固定修复在污染土壤治理过程中有着不可替代的作用。在土壤中添加不同外源物质，通过一系列反应改变重金属的化学形态，降低其迁移性和生物有效性，减少重金属毒害和迁移积累。常用的土壤修复材料主要有沸石、蛭石、石灰、磷矿、炉渣等无机物，绿肥、富含碳含量的有机物以及部分可用于修复重金属污染的纳米材料。吴烈善等对污染土壤中的重金属进行快速钝化处理，根据稳定效率和钝化剂的钝化能力值对各钝化剂及复配组合的钝化能力进行强弱排序可知石灰钝化能力值最大，施用石灰可降低土壤中Cu、Zn、As、Hg、Cd、Pb 的生物可利用性。飞灰对土壤中Zn和Pb有较强的吸附性能。殷飞通过向重金属复合污染土壤分别施加4种钝化剂，钢渣、磷矿粉处理后可交换态和碳酸盐结合态Zn含量明显减少，钢渣、磷矿粉能显著增加残渣态Cu含量，添加磷矿粉后生物难吸收的钙型砷含量显著增加；其中，木炭和坡缕石主要以重金属的钝化吸附和络合为主，钢渣和磷矿粉对重金属的修复机制主要以化学沉淀为主。利用颗粒状炉渣和MgO按比例混合后修复土壤，炉渣对重金属有很好的吸附性能，能够有效改善重金属和有机污染的土壤。Soares等利用蛋壳堆肥吸附土壤中的Pb和Zn，添加后，能够提高土壤pH值，减少土壤中可交换态Pb和Zn，能够有效修复土壤重金属。利用绿肥、肥料堆肥等富碳物质和无机酸等联合修复土壤，可以有效降低As和Cu对土壤的污染。造纸污泥与土壤相互作用能形成新的吸附位点，有助于Zn在土壤中的固定，改善土壤质量减少渗漏液中重金属含量。Shaheen利用无机物：沸石、AlO、MnO和碳酸盐和有机改良剂：活性炭、油料残余堆肥固定土壤中的Cu并种植玉米。结果表明，添加土壤修复剂后，玉米体内Cu含量降低，有机改良剂效果优于无机改良剂，其中活性炭是和AlO效果较好。
生物炭具有孔隙度高、比表面积大、表面活性基团多能够吸附大量可交换态阳离子。其对Cd2+的吸附量随pH的增加先上升后下降，是一种良好的吸附材料，并且增加土壤有机质，促进作物增产。生物碳与土壤混合后，土壤中Cd、Zn和Pb的毒性随着生物炭含量增加而减少，滤出液中重金属毒性随着时间而减少。Qihong Zhu等利用生物碳修复重金属污染的水稻土，施加量为0.5%时，土壤中可交换态Cr、Ni、Cu、Pb、Zn和Cd含量分别下降了18.8、29.6、 26.3、23.0、23.01和48.14%，水稻中Zn、Cd、Pb含量减少了10.96、8.89和8.33%。Almaroai等人对比了在土壤中添加生物炭、牛骨和蛋壳后种植玉米，分析土壤中Pb的生物有效性，研究表明，添加生物炭后，玉米枝叶中Pb含量减少。刘晶晶研究不同种类的生物炭对重金属污染土壤的修复响应，以复合污染的水稻土为供试土样施用不同粒径的生物炭，稻草炭的添加显著提高了土壤pH值，并且酸溶态Cu、Cd和Zn向还原态和可氧化态转化。施加生物炭可以改变土壤酶活性，其中脲酶和过氧化物酶活性显著提高，但是酸性磷酸酶活性降低。
纳米颗粒类修复剂含有巨大的比表面积，对土壤中的污染重金属离子具有极强的吸附作用，可以降低污染土壤中重金属离子的迁移、转化及其生物有效性重金属含量。利用纳米羟磷灰石（nHAP）以及微米羟磷灰石（mHAP）修复重金属污染的土壤，他们可以减少土壤中生物可利用态的Pb、Zn、Cu和Cr，并且添加纳米材料后，小白菜体内的金属含量下降。纳米TiO2光催化材料、纳米零价铁等纳米材料在土壤修复环境中也发挥着重要作用，能够有效降低重金属离子污染毒性。王萌通过盆栽实验研究纳米修复剂：羟基磷灰石HAP、赤泥RM、Fe3O4、胡敏酸- Fe3O4对污染土壤中Cd 吸收转运的影响。结果表明，添加纳米修复剂可显著增加胡萝卜植株生物量、降低植株Cd 的含量，Cd浓度随修复剂添加量增加而下降，修复剂对降低Cd的有效性顺序为：RM>HAP＞胡敏酸-Fe3O4＞Fe3O4。
碳纳米材料是纳米材料领域重要的组成部分，主要包括碳纳米管、富勒烯、石墨烯及其衍生物等。石墨烯( graphene，GE) 是一种由 sp2杂化的碳原子以六边形排列形成的周期性蜂窝状二维碳质新材料，具有独特的物化性质。2004 年，英国曼彻斯特大学物理和天文学系的 Geim和 Novoselov 等用胶带剥离石墨晶体首次获得了石墨烯，并由此获得了2010年诺贝尔物理学奖。常见的制备方法主要有微机械剥离法、化学气相沉积法、晶体外延生长法、胶体悬浮液法等。石墨烯巨大的比表面积使它成为优质吸附剂，并且其吸附操作简便、处理效果好等优点被广泛应用于水相环境污染修复，主要吸附两类污染物：有机物与无机阴离子。
氧化石墨烯( graphene oxide，GO) 通常是由石墨经化学氧化、超声制备获得，氧化石墨烯便于大规模生产。目前报道的常用的石墨氧化方法主要有 Brodie 法、Standenmaier 法以及Hummers法。同时，氧化石墨烯拥有大量的羟基、羧基、环氧基等含氧基团，是一种亲水性物质，可通过功能基团的作用与其他聚合物稳固地结合形成复合物。因此，氧化石墨烯非常适合在水处理中应用去除水中的金属和有机污染物。
碳纳米管是石墨六角网平面卷成无缝筒状的单层管状物质或将其包裹在内，层层套叠而成的多层“管状物质”。纳米碳管分为单壁碳纳米管（SWNTs）和多壁碳纳米管(MWNTs)。单壁碳纳米管的直径大致在0.4～2.5nm之间，长度可达数微米；多壁碳纳米管由多个同轴 SWNTs 组成，层数可以在两层到几十层之间，层与层之间距离0.34nm，直径可以达到100nm左右。MWNTs 比表面略低，由于MWNTs 管壁上存在较多缺陷，因而具有较高的化学活性。碳纳米管含有丰富的纳米孔隙结构和巨大的比表面积，结构特征决定其物理、化学性质，主要表现在它具有优良的吸附能力、特殊的电学和机械性质，并且具有优良的吸附能力。
石墨烯、氧化石墨烯和碳纳米管由于其独特的表面结构、巨大的比表面积，使其具有很强的吸附能力，对有机物、无机物均表现出较强的吸附性能。大量研究表明，碳纳米材料用于吸附有机污染有很好的吸附效果，利用石墨烯吸附甲醛、碱性染料、含苯环有机物等污染物质。采用湿法制备的氧化石墨烯不仅具有良好的机械特征，并且能够有效吸附污染溶液中的染料。研究以石墨烯为基质的修复材料吸附磺胺甲恶唑，所有材料均表现出较强的吸附能力，最大吸附量依次是：graphene(239.0mg·g-1)>graphene–NH2 (40.6 mg·g-1)> graphene–COOH (20.5 mg·g-1)> graphene–OH(11.5 mg·g-1)。修复性能随环境pH发展改变，当pH=2的时候，其吸附性能最强，但是当pH=9时，则失去了吸附能力。Farghali等采用Hummer法制备氧化石墨烯并还原得到还原氧化石墨烯，用CoFe2O4修饰氧化还原石墨烯，测试其对甲基绿的吸附作用，结果表明，石墨烯表面积达40.6m2/g。此外，氧化石墨烯对其他碱性染料也有较好的吸附作用，利用3DGO生物高分子凝胶吸附污水中的甲基蓝和甲基紫，通过实验研究，对二者的吸附最大吸附量分别为1100mg/g和1350mg/g，并且有吸附具有很强的选择性。
总之，目前碳纳米材料主要限于污染水体治理领域，而应用于生活垃圾堆肥基质重金属竞争吸附的调控方面，还尚无文献报道。
目前，对于碳纳米材料修复重金属的研究多集中于其在水溶液中的吸附特征，土壤中的吸附动力学研究较少，考虑到生活垃圾堆肥的特有环境，本技术采用生活垃圾堆肥浸提液和重金属混合溶液模拟土壤环境，探究碳纳米材料对堆肥浸提液复合体系重金属竞争吸附的调控，应具有重要应用价值。
发明内容
碳纳米材料在环境修复中广泛应用，大量研究表明，其对水体中的有机污染物质，如磺胺甲恶唑、甲基蓝等吸附能力较强优于其他修复剂；除有机污染外，对水体中的重金属Pb、Cu、Cd、Zn等同样有较高的吸附能力。由于其具有较强的吸附能力，而多用于环境中重金属的修复和治理。本技术利用碳纳米材料钝化生活垃圾堆肥中的重金属，生活垃圾堆肥环境较水溶液更加复杂，其浸提液中不仅含有多种重金属，同时含有NO2 --N、NO3 --N、Org-N、类蛋白类有机质以及胡敏酸、富里酸等腐殖质。由于堆肥环境较水体环境更加复杂，含有多种有机物质，为本技术应用与生活垃圾堆肥基质重金属竞争吸附的调控方面作用。通过本技术研发为解决生活垃圾堆肥重金属问题提供了技术支撑。
为实现上述目的本发明公开了如下的技术内容：
采用碳纳米材料对堆肥浸提液复合体系重金属竞争吸附的调控方法，其特征在于按如下的步骤进行：
（1）研制材料
供试垃圾堆肥取自天津市小淀生活垃圾堆肥处理厂，过2mm筛备用；小淀生活垃圾堆肥其基本理化性质为：有机质含量22.00%，容重0.79g/cm3，孔隙度67.98%，饱和含水量0.67ml·g-1，pH值7.49，全氮0.57%，全磷0.34%，全钾1. 21%，有效磷 0.078 g·kg-1，C/N是 8.37，其中金属含量分别为：Ca 23.23 mg/kg，Fe 30.49 g/kg，Mg 5. 78 g/kg，Cu341.34 mg/kg，Zn 677.33 mg/kg，Pb 216.98 mg/kg，Cd 5.02 mg/kg，Mn 437.88 mg/kg，Cr 702.6 mg/kg，Ni 41.82 mg/kg。
草种选用北方常见禾本科植物高羊茅（Festuca arundinacea）；
石墨烯微片的微片大小：0.5-20 μm；微片厚度：5-25 nm；比表面积：40-60 m2/g；密度：约2.25 g/cm3；电导率：8000-10000 S/m；含碳量：>99.5%。
氧化石墨烯的平均厚度：3.4-7 nm；片层直径：10-50 μm；层数：5-10层；比表面积：100-300 m2/g；纯度>90%。
羧基化多壁碳纳米管的直径：20-40 nm；长度：10-30 μm；-COOH含量：1.43%；纯度：>90 wt%；灰粉：<8 wt%；比表面积：>110 m2/g；导电率：>102 s/cm。
羟基化多壁碳纳米管的直径：20-40 nm；长度：10-30 μm；-OH含量：1.63%；纯度：>90 wt%；灰粉：<8 wt%；比表面积：>110 m2/g；导电率：>102 s/cm；
（2）方法：
1）配制含有Cu2+、Pb2+、Cd2+三种重金属离子的混合溶液， 其浓度比为6：4：1；
2）将配置的重金属混合溶液与堆肥浸提液按质量比为1：2加以混合；
3）称取10mg碳纳米材料与锥形瓶中，分别向锥形瓶中加入步骤2）的重金属混合溶液20ml或单纯的堆肥浸提液20 ml，振荡6 h后过滤，滤液用原子吸收分光光度计（TAS-990）测量重金属浓度，根据吸附实验前后重金属离子浓度的差值计算其吸附量。
本发明进一步公开了碳纳米材料对堆肥浸提液复合体系重金属竞争吸附的调控方法在提高对重金属Cu2+、Cd2+，Pb2+吸附能力方面的应用。其中对重金属的吸附能力指的是：石墨烯、氧化石墨烯、多壁碳纳米管对Cd、Cu、Pb的吸附。
本发明更加详细的描述如下：
1 研制材料与方法
1.1 材料与试剂
供试垃圾堆肥取自天津市小淀生活垃圾堆肥处理厂，过2mm筛备用。其基本理化性质为：有机质含量22.00%，容重0.79g/cm3，孔隙度67.98%，饱和含水量0.67ml·g-1，pH值7.49，全氮0.57%，全磷0.34%，全钾1. 21%，有效磷 0.078 g·kg-1，C/N 是 8.37，其中金属含量分别为：Ca 23.23 mg/kg，Fe 30.49 g/kg，Mg 5. 78 g/kg，Cu 341.34 mg/kg，Zn 677.33 mg/kg，Pb 216.98 mg/kg，Cd 5.02 mg/kg，Mn 437.88 mg/kg， Cr 702.6 mg/kg，Ni 41.82 mg/kg。
石墨烯微片（Graphene）购于南京吉仓纳米科技有限公司，为黑色，无规则薄片状结构，微片大小：0.5-20 μm；微片厚度：5-25 nm；比表面积：40-60 m2/g；密度：约2.25 g/cm3；电导率：8000-10000 S/m；含碳量：>99.5%。
氧化石墨烯（Graphene oxide）购于苏州恒球纳米公司，为黑色或褐黄色粉末，平均厚度：3.4-7 nm；片层直径：10-50 μm；层数：5-10层；比表面积：100-300 m2/g；纯度>90%。
羧基化多壁碳纳米管（carboxylic multi-walled carbon nanotubes）购于北京博宇高科技新材料技术有限公司，直径：20-40 nm；长度：10-30 μm；-COOH含量：1.43%；纯度：>90 wt%；灰粉：<8 wt%；比表面积：>110 m2/g；导电率：>102 s/cm。
羟基化多壁碳纳米管（Hydroxylation multi-walled carbon nanotubes）购于北京博宇高科技新材料技术有限公司，直径：20-40 nm；长度：10-30 μm；-OH含量：1.63%；纯度：>90 wt%；灰粉：<8 wt%；比表面积：>110 m2/g；导电率：>102 s/cm。
1.2设计方法
1.2.1混合重金属竞争吸附实验
1）配制含有Cu2+、Pb2+、Cd2+三种重金属离子的混合溶液， 其浓度比为6：4：1；
2）将配置的重金属混合溶液与堆肥浸提液按质量比为1：2加以混合；
3）称取10mg碳纳米材料与锥形瓶中，分别向锥形瓶中加入步骤2）的重金属混合溶液20ml或单纯的堆肥浸提液20 ml，振荡6 h后过滤，滤液用原子吸收分光光度计（TAS-990）测量重金属浓度，根据吸附实验前后重金属离子浓度的差值计算其吸附量。
1.2.2解吸实验
收集吸附重金属后的碳纳米材料，用人工雨水解吸。分别加入人工雨水50ml，震荡24h过滤，测定溶液总重金属含量。共解吸两次。
1.3 数据分析
根据平衡质量计算吸附量：
式中，吸附前溶液初始浓度吸附至时刻溶液浓度吸附溶液体积L；W吸附剂质量吸附量mg/g。
根据解吸后重金属含量计算解吸量、解吸率。
解吸率=（解吸量/吸附量）╳100%
等温吸附的实验数据用Langmuir 模型、Freundlich 模型2 种等温吸附模型模拟：
Langmuir方程：
式中，为平衡时单位质量碳纳米材料吸附溶质质量为与吸附能力有关的Langmuir方程的常数；表示吸附容量为平衡溶液中重金属离子浓度（ mg·L-1）；
Freundlich方程：
式中，KF和n为Freundlich方程的常数，分别用于评价吸附剂的吸附能力和强度。
由于实验中吸附的三种重金属离子的浓度不相同，因此不能直接从吸附量上判断Cd、Cu、Pb三种重金属离子的竞争吸附性能，吸附竞争系数可以直接反映离子间的作用强度，消除浓度的影响;
其公式为：
式中，为重金属元素的吸附竞争系数；在本文中
为体系中重金属元素的个数；
数据处理采用Origin 8.6 进行吸附动力曲线拟合。
2 研制结果分析
如表1 所示，在混合体系中三种离子的竞争吸附系数为Pb>Cd>Cu；在堆肥浸提液体系中，三种离子在石墨烯和碳纳米管上吸附的竞争吸附系数为Pb>Cu>Cd，在氧化石墨烯上吸附的竞争吸附系数为Pb>Cd>Cu。
表1 复合重金属离子体系重金属竞争吸附系数
3 研制结论
石墨烯、氧化石墨烯、多壁碳纳米管对Cd、Cu、Pb均有较强的吸附能力。比较不同金属离子在同种碳纳米材料上的吸附能力，石墨烯和碳纳米管金属离子的吸附能力均表现为Pb>Cu>Cd，但氧化石墨烯则表现为：Pb>Cd>Cu，并且，对Pb和Cd的吸附能力，氧化石墨烯均优于另两种材料。在混合体系中三种离子的竞争吸附系数为Pb>Cd>Cu；在堆肥浸提液体系中，三种离子在石墨烯和碳纳米管上吸附的竞争吸附系数为Pb>Cu>Cd，在氧化石墨烯上吸附的竞争吸附系数为Pb>Cd>Cu。
具体实施方式
下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。本发明所用原料、试剂均有市售。
实施例1
（1）研制材料
供试垃圾堆肥取自天津市小淀生活垃圾堆肥处理厂，过2mm筛备用；小淀生活垃圾堆肥其基本理化性质为：有机质含量22.00%，容重0.79g/cm3，孔隙度67.98%，饱和含水量0.67ml·g-1，pH值7.49，全氮0.57%，全磷0.34%，全钾1. 21%，有效磷 0.078 g·kg-1，C/N是 8.37，其中金属含量分别为：Ca 23.23 mg/kg，Fe 30.49 g/kg，Mg 5. 78 g/kg，Cu341.34 mg/kg，Zn 677.33 mg/kg，Pb 216.98 mg/kg，Cd 5.02 mg/kg，Mn 437.88 mg/kg，Cr 702.6 mg/kg，Ni 41.82 mg/kg。
草种选用北方常见禾本科植物高羊茅（Festuca arundinacea）；
石墨烯微片的微片大小：10 μm；微片厚度：5 nm；比表面积：40m2/g；密度：约2.25 g/cm3；电导率：8000 S/m；含碳量：>99.5%。
氧化石墨烯的平均厚度：3.4nm；片层直径：10 μm；层数：5层；比表面积：100-300m2/g；纯度>90%。
羧基化多壁碳纳米管的直径：20nm；长度：10 μm；-COOH含量：1.43%；纯度：>90wt%；灰粉：<8 wt%；比表面积：>110 m2/g；导电率：>102 s/cm。
羟基化多壁碳纳米管的直径：20nm；长度：10 μm；-OH含量：1.63%；纯度：>90 wt%；灰粉：<8 wt%；比表面积：>110 m2/g；导电率：>102 s/cm；
（2）方法：
1）配制含有Cu2+、Pb2+、Cd2+三种重金属离子的混合溶液， 其浓度比为6：4：1；
2）将配置的重金属混合溶液与堆肥浸提液按质量比为1：2加以混合；
3）称取10mg碳纳米材料与锥形瓶中，分别向锥形瓶中加入步骤2）的重金属混合溶液20ml或单纯的堆肥浸提液20 ml，振荡6 h后过滤，滤液用原子吸收分光光度计（TAS-990）测量重金属浓度，根据吸附实验前后重金属离子浓度的差值计算其吸附量。。
实施例2
（1）研制材料
供试垃圾堆肥取自天津市小淀生活垃圾堆肥处理厂，过2mm筛备用；小淀生活垃圾堆肥其基本理化性质为：有机质含量22.00%，容重0.79g/cm3，孔隙度67.98%，饱和含水量0.67ml·g-1，pH值7.49，全氮0.57%，全磷0.34%，全钾1. 21%，有效磷 0.078 g·kg-1，C/N是 8.37，其中金属含量分别为：Ca 23.23 mg/kg，Fe 30.49 g/kg，Mg 5. 78 g/kg，Cu341.34 mg/kg，Zn 677.33 mg/kg，Pb 216.98 mg/kg，Cd 5.02 mg/kg，Mn 437.88 mg/kg，Cr 702.6 mg/kg，Ni 41.82 mg/kg。
草种选用北方常见禾本科植物高羊茅（Festuca arundinacea）；
石墨烯微片的微片大小： 20 μm；微片厚度： 25 nm；比表面积： 60 m2/g；密度：约2.25g/cm3；电导率： 10000 S/m；含碳量：>99.5%。
氧化石墨烯的平均厚度： 7 nm；片层直径： 50 μm；层数： 10层；比表面积： 300m2/g；纯度>90%。
羧基化多壁碳纳米管的直径： 40 nm；长度： 30 μm；-COOH含量：1.43%；纯度：>90wt%；灰粉：<8 wt%；比表面积：>110 m2/g；导电率：>102 s/cm。
羟基化多壁碳纳米管的直径： 40 nm；长度： 30 μm；-OH含量：1.63%；纯度：>90wt%；灰粉：<8 wt%；比表面积：>110 m2/g；导电率：>102 s/cm；
（2）方法：
1）配制含有Cu2+、Pb2+、Cd2+三种重金属离子的混合溶液， 其浓度比为6：4：1；
2）将配置的重金属混合溶液与堆肥浸提液按质量比为1：2加以混合；
3）称取10mg碳纳米材料与锥形瓶中，分别向锥形瓶中加入步骤2）的重金属混合溶液20ml或单纯的堆肥浸提液20 ml，振荡6 h后过滤，滤液用原子吸收分光光度计（TAS-990）测量重金属浓度，根据吸附实验前后重金属离子浓度的差值计算其吸附量。

Claims (4)

1.碳纳米材料对堆肥浸提液复合体系重金属竞争吸附的调控方法，其特征在于按如下的步骤进行：
（1）研制材料
供试垃圾堆肥取自天津市小淀生活垃圾堆肥处理厂，过2mm筛备用；
草种选用北方常见禾本科植物高羊茅（Festuca arundinacea）；
石墨烯微片的微片大小：0.5-20 μm；微片厚度：5-25 nm；比表面积：40-60 m2/g；密度：约2.25 g/cm3；电导率：8000-10000 S/m；含碳量：>99.5%；
氧化石墨烯的平均厚度：3.4-7 nm；片层直径：10-50 μm；层数：5-10层；比表面积：100-300 m2/g；纯度>90%；
羧基化多壁碳纳米管的直径：20-40 nm；长度：10-30 μm；-COOH含量：1.43%；纯度：>90wt%；灰粉：<8 wt%；比表面积：>110 m2/g；导电率：>102 s/cm；
羟基化多壁碳纳米管的直径：20-40 nm；长度：10-30 μm；-OH含量：1.63%；纯度：>90wt%；灰粉：<8 wt%；比表面积：>110 m2/g；导电率：>102 s/cm；
（2）研制方法：
1）配制含有Cu2+、Pb2+、Cd2+三种重金属离子的混合溶液， 其浓度比为6：4：1；
2）将配置的重金属混合溶液与堆肥浸提液按质量比为1：2加以混合；
3）称取10mg碳纳米材料与锥形瓶中，分别向锥形瓶中加入步骤2）的重金属混合溶液20ml或单纯的堆肥浸提液20 ml，振荡6 h后过滤，滤液用原子吸收分光光度计（TAS-990）测量重金属浓度，根据吸附实验前后重金属离子浓度的差值计算其吸附量。
2.权利要求1所述的方法，其中所述的小淀生活垃圾堆肥其基本理化性质为：有机质含量22.00%，容重0.79g/cm3，孔隙度67.98%，饱和含水量0.67ml·g-1，pH值7.49，全氮0.57%，全磷0.34%，全钾1. 21%，有效磷 0.078 g·kg-1，C/N 是 8.37，其中金属含量分别为：Ca23.23 mg/kg，Fe 30.49 g/kg，Mg 5. 78 g/kg，Cu 341.34 mg/kg，Zn 677.33 mg/kg，Pb216.98 mg/kg，Cd 5.02 mg/kg，Mn 437.88 mg/kg， Cr 702.6 mg/kg，Ni 41.82 mg/kg。
3.权利要求1所述碳纳米材料对堆肥浸提液复合体系重金属竞争吸附的调控方法在提高对重金属Cu2+、Cd2+，Pb2+吸附能力方面的应用。
4.权利要求3所述的应用，其中对重金属的吸附能力指的是：石墨烯、氧化石墨烯、多壁碳纳米管对Cd、Cu、Pb的吸附。
CN201610442874.1A 2016-06-21 2016-06-21 碳纳米材料对堆肥浸提液重金属竞争吸附的调控方法 Pending CN106105453A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610442874.1A CN106105453A (zh) 2016-06-21 2016-06-21 碳纳米材料对堆肥浸提液重金属竞争吸附的调控方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610442874.1A CN106105453A (zh) 2016-06-21 2016-06-21 碳纳米材料对堆肥浸提液重金属竞争吸附的调控方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106105453A true CN106105453A (zh) 2016-11-16

Family

ID=57470638

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610442874.1A Pending CN106105453A (zh) 2016-06-21 2016-06-21 碳纳米材料对堆肥浸提液重金属竞争吸附的调控方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106105453A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113174265A (zh) * 2021-04-20 2021-07-27 周子诚 一种复合重金属污染土壤修复剂及其制备方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102730680A (zh) * 2012-07-23 2012-10-17 清华大学深圳研究生院 高密度高硬度石墨烯多孔炭材料及其制备方法和应用
CN103814744A (zh) * 2014-03-11 2014-05-28 天津师范大学 一种改性纳米碳对土壤线虫多样性的调控方法
CN103861866A (zh) * 2014-03-11 2014-06-18 天津师范大学 一种改性纳米碳对城市生活堆肥重金属的固定富集方法
CN104016438A (zh) * 2014-06-20 2014-09-03 上海交通大学 一种用石墨烯吸附重金属离子的方法
CN104437390A (zh) * 2014-12-09 2015-03-25 江南大学 一种对重金属离子具有吸附作用的氧化石墨烯/氨基酸复合材料的制备方法
CN104838996A (zh) * 2015-05-07 2015-08-19 天津师范大学 采用氯吡硫磷与碳纳米管隔层调控草坪草重金属富集的方法
CN104904574A (zh) * 2015-05-07 2015-09-16 天津师范大学 采用环草隆与碳纳米管隔层调控草坪草重金属富集的方法
CN104927870A (zh) * 2015-06-05 2015-09-23 中国地质科学院矿产资源研究所 一种修复重金属Cr-Pb-Cd污染土壤的新材料及其制备方法和使用方法
CN104957009A (zh) * 2015-05-07 2015-10-07 天津师范大学 采用otc与碳纳米管隔层调控草坪草重金属富集的方法
WO2016080546A1 (ja) * 2014-11-21 2016-05-26 国立研究開発法人産業技術総合研究所 吸着剤並びにその使用方法及び製造方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102730680A (zh) * 2012-07-23 2012-10-17 清华大学深圳研究生院 高密度高硬度石墨烯多孔炭材料及其制备方法和应用
CN103814744A (zh) * 2014-03-11 2014-05-28 天津师范大学 一种改性纳米碳对土壤线虫多样性的调控方法
CN103861866A (zh) * 2014-03-11 2014-06-18 天津师范大学 一种改性纳米碳对城市生活堆肥重金属的固定富集方法
CN104016438A (zh) * 2014-06-20 2014-09-03 上海交通大学 一种用石墨烯吸附重金属离子的方法
WO2016080546A1 (ja) * 2014-11-21 2016-05-26 国立研究開発法人産業技術総合研究所 吸着剤並びにその使用方法及び製造方法
CN104437390A (zh) * 2014-12-09 2015-03-25 江南大学 一种对重金属离子具有吸附作用的氧化石墨烯/氨基酸复合材料的制备方法
CN104838996A (zh) * 2015-05-07 2015-08-19 天津师范大学 采用氯吡硫磷与碳纳米管隔层调控草坪草重金属富集的方法
CN104904574A (zh) * 2015-05-07 2015-09-16 天津师范大学 采用环草隆与碳纳米管隔层调控草坪草重金属富集的方法
CN104957009A (zh) * 2015-05-07 2015-10-07 天津师范大学 采用otc与碳纳米管隔层调控草坪草重金属富集的方法
CN104927870A (zh) * 2015-06-05 2015-09-23 中国地质科学院矿产资源研究所 一种修复重金属Cr-Pb-Cd污染土壤的新材料及其制备方法和使用方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
吴春来，樊静: "石墨烯材料在重金属废水吸附净化中的应用", 《化工进展》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113174265A (zh) * 2021-04-20 2021-07-27 周子诚 一种复合重金属污染土壤修复剂及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yang et al. Remediation of lead contaminated soil by biochar-supported nano-hydroxyapatite
Zhang et al. Biochar for environmental management: Mitigating greenhouse gas emissions, contaminant treatment, and potential negative impacts
Shaheen et al. Sustainable applications of rice feedstock in agro-environmental and construction sectors: a global perspective
Lu et al. Use of magnetic biochars for the immobilization of heavy metals in a multi-contaminated soil
Verheijen et al. Biochar application to soils
Iqbal et al. Effect of biochar on leaching of organic carbon, nitrogen, and phosphorus from compost in bioretention systems
CN103819275B (zh) 改性纳米碳对城市生活堆肥重金属不同形态的调控方法
An et al. Biochar for simultaneously enhancing the slow-release performance of fertilizers and minimizing the pollution of pesticides
CN104388094A (zh) 一种铁基生物炭材料、其制备工艺以及其在土壤污染治理中的应用
CN105880268A (zh) 采用碳纳米材料对单一体系中重金属吸附的调控方法
Bao et al. Recent developments in modification of biochar and its application in soil pollution control and ecoregulation
CN106190141A (zh) 一种竹炭土壤调理剂及其制备方法
Ramadan et al. Micro/nano biochar for sustainable plant health: Present status and future prospects
Wang et al. Co-pyrolysis of wood chips and bentonite/kaolin: Influence of temperatures and minerals on characteristics and carbon sequestration potential of biochar
Xia et al. Co-pyrolysis of corn stover with industrial coal ash for in situ efficient remediation of heavy metals in multi-polluted soil
Srinivasa Rao et al. Fly ash and its utilization in Indian agriculture: constraints and opportunities
CN106116722A (zh) 采用碳纳米材料调控堆肥浸提液重金属解吸的方法
CN106083224A (zh) 采用碳纳米材料调控堆肥浸提液重金属吸附的方法
Gao et al. Effects of biochar-based materials on nickel adsorption and bioavailability in soil
CN106124430A (zh) 采用碳纳米材料调控生活垃圾堆肥Cu释放动力的方法
Zheng et al. Using organo–mineral complex material to prevent the migration of soil Cd and As into crops: An agricultural practice and chemical mechanism study
Ma et al. Effectiveness and potential mechanism of hydrothermal modification of attapulgite for cadmium passivation in soil
CN106068742A (zh) 一种采用石墨烯固定草坪堆肥基质重金属的方法
CN106105453A (zh) 碳纳米材料对堆肥浸提液重金属竞争吸附的调控方法
CN106140083A (zh) 采用碳纳米材料对单一体系中Cd等温吸附的调控方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20161116

RJ01 Rejection of invention patent application after publication