CN109401755A - 一种用于重金属污染土壤修复的秸秆生物炭改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于重金属污染土壤修复的秸秆生物炭改性方法，(1)将作物秸秆作为生物炭原料于烘箱，然后粉碎，过目筛，获得粉末状作物秸秆；(2)称取作物秸秆，置于箱式气氛炉中，通入氮气保持无氧条件，程序升温至目标温度，保持终温热解2‑4小时，即原始生物炭；(3)将生物炭用去离子水反复清洗至中性后，烘干；(4)称取秸秆生物炭，浸入到30％氢氧化钠中，搅拌；(5)用去离子水反复冲洗后，置于烘箱后即得目的产物‑碱改性生物炭。本发明将作物秸秆减量化、无害化处置，添加至重金属污染土壤能有效固化重金属污染物，实现修复效果持久稳定和无二次污染，是一种理想的低成本土壤重金属污染修复剂。

Description

一种用于重金属污染土壤修复的秸秆生物炭改性方法
技术领域
本发明涉及一种土壤重金属污染修复剂，具体的说是一种新的重金属污染土壤修复剂的制备方法。
背景技术
不合理的重金属开采与冶炼、固体废弃物处置、污水灌溉、农药和肥料施用等活动及大气沉降等因素导致大量重金属进入水体和土壤环境，它们可通过直接饮用或食物链进入人体从而给人体健康带来极大危害，严重危害公众健康和生态系统安全(Aksu et al.,2005)。
土壤重金属污染原位钝化修复技术由于成本低廉、操作简便和见效快，且适合大面积污染治理等特点，使其在对土壤重金属污染的修复应用中备受关注(李剑睿等，2014)。目前土壤重金属污染原位钝化修复的关键技术在于钝化剂的开发，其原料主要为石灰性物质、黏土矿、含磷材料、有机肥和农业废弃物等。由于原料来源短缺或带来二次污染等原因，使原位钝化修复技术的推广受到了限制。因此，开发价格低廉、环境友好型的原位钝化剂成为该领域的热点(徐露露等，2013)。近年来的研究表明：生物炭作为重金属污染土壤修复的原位钝化剂，对重金属有很强的吸附能力，且可以有效降低土壤中重金属的有效态，减少其对植物的毒害和植物中重金属含量，具有可观的修复潜力(孙红文，2013；Ahmad et al.,2014；Mohan et al.,2014)。
目前，生物炭已被应用于修复受重金属污染的土壤，然而生物炭是一种粗犷的富碳材料，其所具有的物化性质较为复杂，难以有较突出的化学功能性质，在环境应用中受到了一定的局限性，需要进一步的改进。因此，需要提供一种土用于重金属污染土壤修复的生物炭改性方法，该方法对于高、低浓度各种重金属污染土壤均有成效，且施用简单，作用快速，成本低廉，适用于大规模的推广和应用。
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发明内容
本发明的目的是制备一种成本低，效果好，并且无二次污染的重金属污染土壤修复剂。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
采用高温无氧热解方法制备原始生物炭，并加入定量氢氧化钠对其进行氧化改性，烘干后即可施入重金属污染土壤中进行修复。
具体步骤如下：
(1)将作物秸秆作为生物炭原料于烘箱60-80℃下烘干8-10小时，然后粉碎，过50-100目筛，获得通过筛子的粉末状作物秸秆；
(2)称取粉末状作物秸秆，置于箱式气氛炉(KSFQ1100，江苏前锦炉业设备有限公司)中，通入氮气保持无氧条件，从室温程序升温至目标温度(400-600℃)，保持目标温度下热解2-4小时，即原始生物炭；
(3)将生物炭用去离子水反复清洗至中性后，60-80℃下烘干4-6小时；
(4)称取步骤(3)得到的生物炭，按照固液质量比1:5-1:10浸入到质量浓度为30％氢氧化钠中，搅拌；
(5)用去离子水冲洗后，过滤，置于烘箱60-80℃下烘干4-6小时，后即得目的产物，即碱改性生物炭；
(6)将步骤(5)得到的碱改性生物炭与待修复的重金属污染土壤充分混合，保持土壤田间持水量60％，老化1-3个月。
所述的生物炭原料的炭化目标温度为450-550℃。
步骤(2)中无氧条件以氮气提供，热解2.5-3.5小时。
所述的原始生物炭与30％氢氧化钠按照1:7.5的质量比混合搅拌。
按照2％的质量比将碱性生物炭施加到重金属污染土壤中。
使用本修复剂对修复重金属污染土壤，有如下优点：
1.以作物秸秆为原材料，来源广泛，生产成本低廉，实施手法简单易行，适合大模广泛应用；
2.作物秸秆是目前亟待合理处置的固体废弃物之一，本发明将其转化为环境修复材料，达到“以废治废”的目的，同时实现固废资源化和低成本环境修复的目标；
3.无论对高浓度还是低浓度重金属污染的土地，本发明修复效率均稳定可靠；本发明不仅适用于修复单一污染源污染的土壤，也同样适用于多种重金属同时存在的协同污染土壤；
4.本发明制备的生物碳，较普通生物炭施用比例低，效果显著；
5.此外，本发明制备的生物碳较普通生物炭pH值高，除环境修复作用外，还具有酸性土壤改良作用。
具体实施方式
为了更好的说明本发明，下面结合【具体实施方式】做进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：与非改性生物炭修复效果比较
具体实施过程，如下：
1.将玉米秸秆70℃下，烘9小时后烘干，粉碎过筛50目；
2.将粉末状玉米秸秆放入箱式气氛炉(KSFQ1100，江苏前锦炉业设备有限公司)中，通入氮气保持无氧条件，加热至500℃后热解3小时，冷却至室温，用去离子水反复清洗后，70℃烘干4小时后得到原始生物碳；
3.然后按质量比1:7.5侵入30％氢氧化钠中，搅拌后用去离子水反复冲洗，70℃烘干4小时后得到碱改性生物炭；
4.将原始生物炭和碱改性生物炭按照1％的质量比施入Cd污染(总量2.3mg/Kg)的土壤(潮棕壤)中，混合后经自然老化3个月；
5.采用0.01moL的CaCl2溶液浸提土壤中有效态Cd，然后采用石墨炉原子吸收光谱仪测定其浓度，结果如表1所示；
表1有效态Cd浓度变化(mg/kg)
由表1可知，经过老化过程后有效态Cd浓度逐渐降低，与起始浓度相比,添加原始生物炭和碱改性生物炭处理分别降低38.03％和56.36％，说明碱改性生物炭是一种更好的重金属污染土壤修复剂。
实施例2：碱改性生物炭修复多种重金属污染红壤效果
1.将水稻秸秆70℃烘干后，粉碎过筛50目；
2.将粉末状水稻秸秆放入箱式气氛炉中，通入氮气保持无氧条件，加热至400℃后热解2小时，冷却至室温，用去离子水反复清洗，70℃烘干4小时后得到原始生物碳；
3.然后按体积比1:5侵入30％氢氧化钠中，搅拌后用去离子水反复冲洗，70℃烘干4小时后得到碱改性生物炭；
4.将碱改性生物炭按照1％的质量比施入多种重金属(Pb、Cu和Zn)污染(总量1122.5、153.9和950.2mg/kg)的土壤(红壤)中，混合后自然老化2个月；
5.采用0.01moL的CaCl2溶液浸提土壤中有效态Pb、Cu和Zn，然后采用原子火焰吸收光谱仪测定其浓度，结果如表2所示；
表2碱改性生物炭修复Pb、Cu和Zn效果
由表2可知，经过老化过程后有效态Pb、Cu和Zn浓度逐渐降低，与起始浓度相比,添加碱改性生物炭处理三种重金属浓度分别降低38.79％，44.83％和36.07％，说明碱改性生物炭可以有效修复多种重金属污染土壤。
实施例3：碱改性生物炭修复多种重金属污染黑土效果
1.将水稻秸秆70℃烘干(8小时)后，粉碎过筛50目；
2.将粉末状水稻秸秆放入箱式气氛炉中，通入氮气保持无氧条件，加热至400℃后热解2小时，冷却至室温，用去离子水反复清洗，70℃烘干4小时后后得到原始生物碳；
3.然后按体积比1:5侵入30％氢氧化钠中，搅拌后用去离子水反复冲洗，70℃烘干4小时后得到碱改性生物炭；
4.将碱改性生物炭按照1％的质量比施入多种重金属(Cr和As)污染(总量321.5和56.3mg/kg)的土壤(红壤)中，混合后自然老化2个月；
5.采用0.01moL的CaCl2溶液浸提土壤中有效态Cr和As，然后粪便采用原子火焰吸收光谱仪和原子荧光光度仪测定其浓度，结果如表3所示；
表3碱改性生物炭修复Cr和As效果
由表3可知，经过老化过程后有效态Cr和As浓度逐渐降低，与起始浓度相比,添加碱改性生物炭处理两种重金属浓度分别降低45.83％和34.94％，进一步说明碱改性生物炭可以有效修复多种重金属污染土壤。

Claims (5)

1.一种用于重金属污染土壤修复的秸秆生物炭改性方法，其特点在于，包括如下步骤：
(1)将作物秸秆作为生物炭原料于烘箱60-80℃下烘干8-10小时，然后粉碎，过50-100目筛，获得通过筛子的粉末状作物秸秆；
(2)称取粉末状作物秸秆，置于箱式气氛炉中，通入氮气保持无氧条件，从室温程序升温至目标温度(400-600℃)，保持目标温度下热解2-4小时，即原始生物炭；
(3)将生物炭用去离子水反复清洗至中性后，60-80℃下烘干4-6小时；
(4)称取步骤(3)得到的生物炭，按照固液质量比1:5-1:10浸入到质量浓度为30％氢氧化钠中，搅拌；
(5)用去离子水冲洗后，过滤，置于烘箱60-80℃下烘干4-6小时，后即得目的产物，即碱改性生物炭；
(6)将步骤(5)得到的碱改性生物炭与待修复的重金属污染土壤充分混合，保持土壤田间持水量60％，老化1-3个月。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的生物炭原料的炭化目标温度为450-550℃。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中无氧条件以氮气提供，热解2.5-3.5小时。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的原始生物炭与30％氢氧化钠按照1:7.5的质量比混合搅拌。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于按照2％的质量比将碱性生物炭施加到重金属污染土壤中。
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