CN109225133A - FeCl3改性生物炭及其制备方法、修复铬污染地下水的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种FeCl3改性生物炭，所述FeCl3改性生物炭由FeCl3和生物质制得。本发明还提供一种FeCl3改性生物炭的制备方法，步骤如下：制备FeCl3改性生物质；将所述FeCl3改性生物质在高温下裂解，即得到FeCl3改性生物炭。本发明提供的FeCl3改性生物炭能够修复铬污染地下水。与普通不改性生物炭相比，本发明提供的FeCl3改性生物炭显著提高了铬污染去除效率，300℃、600℃和900℃热裂解温度条件下制备的FeCl3改性生物炭，对铬的去除效率达到99％、96％和99％；本发明提供的FeCl3改性生物炭集合了普通生物炭和铁的共同作用，利用吸附作用、还原作用、络合作用、共沉淀作用等将底泥中的铬去除；本发明提供的FeCl3改性生物炭将毒性更高的六价铬还原成毒性较低的三价铬，大大减小了铬污染地下水的毒性。

Description

FeCl3改性生物炭及其制备方法、修复铬污染地下水的方法
技术领域
本发明涉及地下水污染修复技术领域，尤其涉及一种FeCl3改性生物炭及其制备方法、修复铬污染地下水的方法。
背景技术
铬(Cr)及铬盐作为一种重要的化工原料，在冶金、电镀、鞣制、颜料印染和表面处理等工业中被广泛应用。随着我国工业的发展，对铬及其化合物的巨大需求导致铬盐的生产迅速发展。但目前全国20多个城市仍有400多万吨铬渣没有安全处理。在长期的雨淋水冲下，大量的铬渣渗滤液通过地表渗流作用，对地下水系造成严重污染。环境中铬主要以六价铬(Cr(Ⅵ))和三价铬(Cr(III))两种价态存在，六价铬是美国超级基金优先控制的前20种污染物之一。目前，我国多处地下水遭受铬污染铬，污染地下水的修复成为我国环保工作者研究的热点问题。基于目前我国地下水六价铬污染现状及国情，开发高效、低廉的处理方法迫在眉睫。
目前去除地下水中铬污染的方法主要有：吸附法、共沉淀法、化学还原法等。吸附法因操作简单，去除效率高，以及对环境污染较小等特点被广泛使用。其中又以生物炭为最，这主要是由于生物炭具有广大的比表面积、大量的含氧官能团、高吸附容量。而应用铁改性生物炭去除(Cr(VI))具有成本低效果好等优点，同时兼具还原与吸附的作用减少二次污染，且Cr(VI)毒性远大于Cr(III)，FeCl3改性生物炭的应用对铬污染的修复具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种集合还原、吸附、络合、共沉淀作用的FeCl3改性生物炭，还提供了工艺简单的FeCl3改性生物炭的制备方法及FeCl3改性生物炭修复铬污染地下水的方法。
本发明提供一种FeCl3改性生物炭，所述FeCl3改性生物炭由FeCl3和生物质制得。
本发明还提供一种FeCl3改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：
S1，制备FeCl3改性生物质；
S2，将所述FeCl3改性生物质在高温下裂解，即得到FeCl3改性生物炭。
进一步地，步骤S2中，FeCl3改性生物质裂解的温度为300-900℃，裂解时间为2h。
进一步地，步骤S1中，FeCl3改性生物质的制备过程为：
S1.1，称取六水氯化铁固体溶于去离子水中，搅拌直至充分溶解，得到FeCl3溶液；
S1.2，称取经过烘干的生物质，切割成边长为3-5mm的立方体；
S1.3，将切割后的生物质与FeCl3溶液混合，浸泡，然后过滤，烘干滤出的生物质，即得到FeCl3改性生物质。
进一步地，步骤S1.1中，FeCl3溶液的摩尔浓度为0.5mol/L。
进一步地，步骤S1.3中，生物质与FeCl3溶液中的Fe3+的质量比为5:1，浸泡的时间为2d，滤出的生物质的烘干温度为105℃。
本发明还提供一种上述FeCl3改性生物炭或利用上述制备方法制备的FeCl3改性生物炭修复铬污染地下水的方法，包括以下步骤：将所述FeCl3改性生物炭投放到铬污染地下水中对铬污染地下水进行修复。
进一步地，所述FeCl3改性生物炭投放到铬污染地下水中后，FeCl3改性生物炭对铬污染地下水中的铬进行还原、络合、共沉淀和吸附以去除铬。
进一步地，所述FeCl3改性生物炭对铬污染地下水修复完成后，通过外加磁场吸附FeCl3改性生物炭将FeCl3改性生物炭与铬污染地下水分离。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
1、与普通不改性生物炭相比，本发明提供的FeCl3改性生物炭显著提高了铬污染去除效率，300℃、600℃和900℃热裂解温度条件下制备的FeCl3改性生物炭，对铬的去除效率达到99％、96％和99％；
2、本发明提供的FeCl3改性生物炭在传统生物炭修复方法的基础上进行改进，程序简单、工程量少、方便易操作、效果显著；
3、传统生物炭修复地下水后需通过过滤等方法将生物炭和地下水分离，而本发明提供的FeCl3改性生物炭修复完成后可利用其磁性将固定铬的FeCl3改性生物炭与底泥分开，分离效果好，操作工艺简单；
4、本发明提供的FeCl3改性生物炭集合了普通生物炭和铁的共同作用，利用吸附作用、还原作用、络合作用、共沉淀作用等将底泥中的铬去除，其对铬的结合能力较普通未改性生物炭强，固定更持久，固定后的铬不易二次释放，有效降低了铬二次释放风险，不会造成二次污染，大幅降低了铬的毒性；
5、本发明提供的FeCl3改性生物炭主要以毒性更小的Cr(III)形式固定铬，将毒性更高的六价铬还原成毒性较低的三价铬，大大减小了铬污染地下水的毒性。
附图说明
图1是本发明FeCl3改性生物炭的制备方法的流程示意图。
图2是本发明FeCl3改性生物炭修复铬污染地下水的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
本发明的实施例提供了一种FeCl3改性生物炭，由FeCl3和生物质厌氧热裂解制得，FeCl3改性生物炭中存在生物炭、铁、铁氧化物、铁氯化物。
参考图1，本发明的实施例还提供了上述FeCl3改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，制备FeCl3改性生物质；
FeCl3改性生物质的制备过程为：
步骤S1.1，称取六水氯化铁固体溶于去离子水中，搅拌直至充分溶解，配制成摩尔浓度为0.5mol/L的FeCl3溶液；
步骤S1.2，称取经过烘干的生物质，并将生物质切割成大小一致、边长约为3-5mm的立方体，方便污染去除且充分吸收改性溶液；
步骤S1.3，将切割后的生物质与FeCl3溶液按照生物质与FeCl3溶液中的Fe3+的质量比为5:1进行混合，浸泡约2d，浸泡的过程中不定期搅拌以使浸泡充分，然后过滤，在105℃下烘干滤出的生物质，即得到FeCl3改性生物质。
步骤S1.3中，烘干滤出的生物质的过程中发生的化学反应为：
FeCl3+3H2O→Fe(OH)3+3H++3-Cl (1)
Fe(OH)3→FeO(OH)+H2O (2)
FeSO4+4H2O→FeSO4·4H2O (3)
化学式(1)中，-Cl表示与生物炭或Fe结合的氯。
步骤S2，将FeCl3改性生物质置于管式电阻炉中，在300-900℃下裂解2h，裂解过程中保证厌氧条件或微氧条件，可在氮气气氛下进行，即得到FeCl3改性生物炭，裂解过程中的化学反应为：
在温度为300℃进行热裂解时：
FeO(OH)+1.38-Cl+1.38-OH→0.27Fe2O3+0.46FeCl3+2.57H2O (4)
在温度为600℃进行热裂解时：
FeO(OH)+0.05C+0.60-Cl+0.70-OH→0.35Fe2O3+0.10Fe+0.05CO2+0.20FeCl3+1.55H2O (5)
在温度为900℃进行热裂解时：
FeO(OH)+0.025C+0.33-Cl+0.38-OH→0.42Fe2O3+0.05Fe+0.025CO2+0.11FeCl3+1.07H2O (6)
化学式(4)-(6)中，-Cl表示与生物炭或Fe结合的氯；-OH表示与生物炭或Fe结合的羟基。
上述步骤中，生物质的切割大小、FeCl3溶液的摩尔浓度、生物质与FeCl3溶液中Fe3 +的质量比等参数可根据不同程度的污染和不同污染修复需求进行调整，FeCl3改性生物质热裂解的时间和温度可根据需求进行调节。
本发明的实施例还提供了上述FeCl3改性生物炭修复铬污染地下水的方法，包括以下步骤：将FeCl3改性生物炭投放到铬污染地下水中充分反应，FeCl3改性生物炭对铬污染地下水中的铬进行还原、络合、共沉淀和吸附以去除铬，从而实现对铬污染地下水的修复，修复过程中监测铬污染地下水中的铬含量，若铬含量不达标，则继续投放FeCl3改性生物炭，若铬含量达标，则说明修复完成，由于FeCl3改性生物炭具有一定的磁性，且磁性在短期内不会失效，因此可通过外加磁场将固定铬后的FeCl3改性生物炭从原污染地下水中取出，实现FeCl3改性生物炭与铬污染地下水的分离。
参考图2，图2为FeCl3改性生物炭修复铬污染地下水的原理示意图，从图2可以看出，FeCl3改性生物炭集合了生物炭和Fe的共同作用，FeCl3改性生物炭中的生物炭利用表面官能团和多孔结构对Cr(VI)进行络合作用和吸附作用，FeCl3改性生物炭中的Fe利用铁氧化物、铁氯化物等对Cr(VI)进行吸附作用、络合作用和还原作用。
与普通不改性生物炭相比，本发明提供的FeCl3改性生物炭显著提高了铬污染去除效率，300℃、600℃和900℃热裂解温度条件下制备的FeCl3改性生物炭，对铬的去除效率达到99％、96％和99％；本发明提供的FeCl3改性生物炭在传统生物炭修复方法的基础上进行改进，程序简单、工程量少、方便易操作、效果显著；传统生物炭修复地下水后需通过过滤等方法将生物炭和地下水分离，而本发明提供的FeCl3改性生物炭修复完成后可利用其磁性将固定铬的FeCl3改性生物炭与底泥分开，分离效果好，操作工艺简单；本发明提供的FeCl3改性生物炭集合了普通生物炭和铁的共同作用，利用吸附作用、还原作用、络合作用、共沉淀作用等将底泥中的铬去除，其对铬的结合能力较普通未改性生物炭强，固定更持久，固定后的铬不易二次释放，有效降低了铬二次释放风险，不会造成二次污染，大幅降低了铬的毒性；本发明提供的FeCl3改性生物炭主要以毒性更小的Cr(III)形式固定铬，将毒性更高的六价铬还原成毒性较低的三价铬，大大减小了铬污染地下水的毒性。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种FeCl3改性生物炭，其特征在于，所述FeCl3改性生物炭由FeCl3和生物质制得。
2.一种权利要求1所述的FeCl3改性生物炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，制备FeCl3改性生物质；
S2，将所述FeCl3改性生物质在高温下裂解，即得到FeCl3改性生物炭。
3.如权利要求2所述的FeCl3改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤S2中，FeCl3改性生物质裂解的温度为300-900℃，裂解时间为2h。
4.如权利要求2所述的FeCl3改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤S1中，FeCl3改性生物质的制备过程为：
S1.1，称取六水氯化铁固体溶于去离子水中，搅拌直至充分溶解，得到FeCl3溶液；
S1.2，称取经过烘干的生物质，切割成边长为3-5mm的立方体；
S1.3，将切割后的生物质与FeCl3溶液混合，浸泡，然后过滤，烘干滤出的生物质，即得到FeCl3改性生物质。
5.如权利要求4所述的FeCl3改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤S1.1中，FeCl3溶液的摩尔浓度为0.5mol/L。
6.如权利要求4所述的FeCl3改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤S1.3中，生物质与FeCl3溶液中的Fe3+的质量比为5:1，浸泡的时间为2d，滤出的生物质的烘干温度为105℃。
7.一种权利要求1所述的FeCl3改性生物炭或利用权利要求2至6任一项所述的制备方法制备的FeCl3改性生物炭修复铬污染地下水的方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述FeCl3改性生物炭投放到铬污染地下水中对铬污染地下水进行修复。
8.如权利要求7所述的FeCl3改性生物炭修复铬污染地下水的方法，其特征在于，所述FeCl3改性生物炭投放到铬污染地下水中后，FeCl3改性生物炭对铬污染地下水中的铬进行还原、络合、共沉淀和吸附以去除铬。
9.如权利要求7所述的FeCl3改性生物炭修复铬污染地下水的方法，其特征在于，所述FeCl3改性生物炭对铬污染地下水修复完成后，通过外加磁场吸附FeCl3改性生物炭将FeCl3改性生物炭与铬污染地下水分离。
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