CN109482630A - 修复农田重金属铬污染土壤的生物炭吸附剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种修复农田重金属铬污染土壤的生物炭吸附剂的制备方法，包括以下步骤：采摘水草，烘干后粉碎成粉状；采集水体底部的底泥，烘干后粉碎成粉状；将水草粉末与底泥粉末按质量比例混合均匀；将混合后的样品放入马弗炉烧制，进行厌氧高温热解，烧制完成后取出得到生物炭吸附剂。所述水草粉末与底泥粉末的质量比满足(7～5)：(3～5)所述厌氧高温热解温度为500℃，马弗炉升温的升温速度为6℃。本发明制备的生物炭吸附剂对于土壤中的重金属铬具有较强的吸附作用，并且成本低廉，制作工艺简单且对植被庄稼等无毒害作用。本发明可用于农田土壤中重金属铬污染的修复。
Description
技术领域
本发明属于环境功能材料和土壤修复领域，具体涉及一种修复农田重金属铬污染土壤的生物炭吸附剂的制备方法。
背景技术
铬在地壳中的含量为0.01％左右，居第17位，分布较为广泛，是无机化工的主要系列产品之一，广泛应用于化工、冶金、纺织、机械等行业。铬(六价)是对人体危害最大的八种化学物质之一，其毒性是铬(三价)的100倍，是国际公认的三种致癌金属物之一，它会通过食物链数十倍的富集，再经由各种途径进入人体，对健康造成严重危害。因此对铬污染的治理受到了人们越来越多的关注，成为一项重大课题。近年来，由于污水灌溉、采矿、工业三废排放、城市生活垃圾堆放等众多原因，农田土壤中的铬污染日益严重。进入农田土壤中的重金属不仅能抑制植物生长发育，并能通过食物链传递与富集，最终危害人体的健康。因此，对重金属铬污染土壤进行改良修复已成为土壤学和环境科学领域工作者研究的重点和热点。一般去除土壤中的铬污染主要有固化/稳定化法、化学还原法、土壤淋洗法、电化学修复法、生物修复法等。而生物炭作为一种新型环境功能材料，可以通过静电吸附、离子交换、表面络合和共沉淀等方式有效降低土壤中铬的活性和毒性，起到修复农田土壤的作用，并且具有占地面积小、工艺简单、操作方便、成本低廉、对植被无毒害作用等优点，成为修复农田铬污染土壤的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对农田土壤中的重金属铬吸附性强且制备方法简单的生物炭吸附剂及其制备方法，其利用水草和湖水、河水或池塘水体中的底泥制备，将水草和底泥烘干后研磨成粉末状，混合后经厌氧高温热解改性处理，制得生物炭吸附剂。
并将其在持续通入氮气的高温条件下裂解成生物炭，具体操作步骤如下：
步骤一：采摘草海水草，将水草用蒸馏水清洗干净后在干燥通风的环境下晾干，再将水草放入烘箱中在40-60℃下烘干，烘干后的湿度为5％以下，然后将烘干的水草修剪成合适长度后放入粉碎机中粉碎成粉状(颗粒度满足过20目筛)后装袋备用；
步骤二：采集草海水体底部的底泥或其他位置的底泥，在干燥通风的环境下晾干，再将底泥放入烘箱中在40-60℃下烘干，烘干后的湿度为5％以下，然后将烘干的底泥放入球磨机中磨成粉状(颗粒度满足过20目筛)后装袋备用；
步骤三：将烧制好的水草样品与底泥样品按一定质量比例：(7～5)：(3～5)混合并搅拌均匀；
步骤四：将混合后的样品放入马弗炉中，先通入10min氮气以提供厌氧环境，然后以每分钟5～10℃的升温速度将马弗炉升温到300～700℃，恒温加热120-150min，待炉内冷却至室温(20-25℃)后将烧制的样品取出，用去离子水清洗后40-60℃烘干至恒重，即得到生物炭吸附剂。
其中步骤一和步骤二无先后顺序要求。所述水草优选为贵州草海中的水草，所述底泥优选为贵州草海中水草所生长的底泥。
本发明还提供将上述生物炭吸附剂用于修复农田重金属铬污染的土壤的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：将重金属铬污染农田土壤磨碎(如贵阳某铬渣堆附近农田土壤)，控制粒径在5mm以下；
步骤二：将生物炭吸附剂按照1～5g/kg(优选为1～3g/kg)土壤的浓度均匀施入供试土壤，定时洒水，以保持土壤湿度，使含水量控制在25％～30％，静置反应12h～72h，完成修复。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的原材料来源较为广泛，价格便宜，原材料采集较为方便；
本发明的水草生物炭吸附剂制备工艺简单便捷，不需要多余的工业设备，具有很强的可操作性；
本发明的生物炭吸附剂无毒无害，对土壤环境及植被无不良影响，对环境友好，吸附完成后无需从土壤中去除；
本发明的生物炭吸附剂比表面积大，生产周期短，添加方式简便；
本发明的生物炭吸附剂对重金属铬的吸附率高。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将磨成粉状的水草样品和底泥样品按60％:40％的比例混合并搅拌均匀，将混合后的样品分别放入马弗炉中，以每分钟6℃的升温速度将马弗炉升温到700℃，厌氧环境下恒温加热120min，待炉内冷却至室温后将烧制的样品取出，用去离子水清洗后60℃烘干至恒重，即得到生物炭吸附剂，将吸附剂按2g/kg的浓度均匀施入土壤样品中，保持土壤湿度，反应12h后测土壤中浸出液中铬(六价)的含量。
结果显示，处理后样品中铬(六价)浸出浓度为0.086mg/L，低于《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)中0.1mg/L的含量限值。
实施例2
将磨成粉状的水草样品和底泥样品按50％:50％的比例混合并搅拌均匀，将混合后的样品放入马弗炉中，分别以每分钟7℃的升温速度将马弗炉升温到300℃，厌氧环境下恒温加热120min，待炉内冷却至室温后将烧制的样品取出，用去离子水清洗后60℃烘干至恒重，即得到生物炭吸附剂，将吸附剂按1g/kg的浓度均匀施入土壤样品中，保持土壤湿度，反应12h后测土壤中浸出液中铬(六价)的含量。
结果显示，处理后样品中铬(六价)浸出浓度为0.098mg/L，低于《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)中0.1mg/L的含量限值。
实施例3
将磨成粉状的水草样品和底泥样品按60％:40％的比例混合并搅拌均匀，将混合后的样品放入马弗炉中，以每分钟6℃的升温速度将马弗炉分别升温到500℃厌氧环境下恒温加热120min，待炉内冷却至室温后将烧制的样品取出，用去离子水清洗后60℃烘干至恒重，即得到生物炭吸附剂，将吸附剂按3g/kg的浓度均匀施入土壤样品中，保持土壤湿度，反应36h后测土壤中浸出液中铬的含量。
结果显示，处理后样品中铬(六价)浸出浓度为0.052mg/L，低于《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)中0.1mg/L的含量限值。
实施例4
将磨成粉状的水草样品和底泥样品按60％:40％的比例混合并搅拌均匀，将混合后的样品放入马弗炉中，以每分钟6℃的升温速度将马弗炉分别升温到400℃厌氧环境下恒温加热120min，待炉内冷却至室温后将烧制的样品取出，用去离子水清洗后60℃烘干至恒重，即得到生物炭吸附剂，将吸附剂按1.5g/kg的浓度均匀施入土壤样品中，保持土壤湿度，反应36h后测土壤中浸出液中铬(六价)的含量。
结果显示，处理后样品中铬(六价)浸出浓度为0.073mg/L，低于《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)中0.1mg/L的含量限值。
实施例5
将磨成粉状的水草样品和底泥样品按60％:40％的比例混合并搅拌均匀，将混合后的样品放入马弗炉中，以每分钟7℃的升温速度将马弗炉分别升温到500℃厌氧环境下恒温加热120min，待炉内冷却至室温后将烧制的样品取出，用去离子水清洗后60℃烘干至恒重，即得到生物炭吸附剂，将吸附剂按3g/kg的浓度均匀施入土壤样品中，保持土壤湿度，分别反应48h后测土壤中浸出液中铬(六价)的含量。
结果显示，处理后样品中铬(六价)浸出浓度为0.067mg/L，低于《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)中0.1mg/L的含量限值。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)
1.一种修复农田重金属铬污染土壤的生物炭吸附剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：采摘水草，烘干后粉碎成粉状；
步骤二：采集水体底部的底泥，烘干后粉碎成粉状；
步骤三：将水草粉末与底泥粉末按质量比例混合均匀；
步骤四：将混合后的样品放入马弗炉烧制，进行厌氧高温热解，烧制完成后取出得到生物炭吸附剂。
2.根据权利要求1所述的修复农田重金属铬污染土壤的生物炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述步骤一中采摘后的水草先经过蒸馏水清晰，然后于干燥通风的环境下晾干，然后再放入烘箱中40-60℃下烘干，粉碎后颗粒度满足20目筛。
3.根据权利要求1所述的修复农田重金属铬污染土壤的生物炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述步骤二中采集的底泥先在干燥通风的环境下晾干，然后放入烘箱中40-60℃下烘干，粉碎后颗粒度满足20目筛。
4.根据权利要求1或3所述的修复农田重金属铬污染土壤的生物炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述步骤二中采集的底泥为未经污染的湖水、河水或池塘水体中底泥。
5.根据权利要求1所述的修复农田重金属铬污染土壤的生物炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述步骤三中水草粉末与底泥粉末的质量比满足(7～5)：(3～5)。
6.根据权利要求1所述的修复农田重金属铬污染土壤的生物炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述步骤四中混合后的样品放入马弗炉中，先通入氮气以提供厌氧环境，然后以每分钟5～10℃的升温速度将马弗炉升温到300～700℃，恒温加热120-150mi n，待炉内冷却至室温后将烧制的样品取出，用去离子水清洗后40-60℃烘干至恒重，得到生物炭吸附剂。
7.根据权利要求1或6所述的修复农田重金属铬污染土壤的生物炭吸附剂的制备方法，其特征在于，所述步骤三中水草粉末与底泥粉末的质量比为6:4，所述步骤四中厌氧高温热解温度为500℃，马弗炉升温的升温速度为6℃。
8.一种权利要求1至7中任意一项所述的修复农田重金属铬污染土壤的生物炭吸附剂的制备方法所制备得到的生物炭吸附剂修复农田重金属铬污染土壤的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将重金属铬污染农田土壤磨碎；
步骤二：将生物炭吸附剂均匀施入供试土壤，静置反应。
9.根据权利8所述的生物炭吸附剂修复农田重金属铬污染土壤的方法，其特征在于，所述步骤一中磨碎后的土壤粒径应小于5mm。
10.根据权利8所述的生物炭吸附剂修复农田重金属铬污染土壤的方法，其特征在于，所述步骤二中生物炭添加量为1g/kg～3g/kg土壤，静置反应时间为12h～36h，且反应过程中定时洒水，保持土壤湿度。
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