CN109604314A - 一种土壤重金属超积累植物体处置装置及制备生物质炭的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤重金属超积累植物体处置装置及制备生物质炭的方法，属于环境工程技术领域。本发明将超积累植物体内的重金属进行回收，利用土壤重金属超积累植物体中富含大量的重金属的特性，配合磷酸进行高温炭化、活化制备得到孔隙结构发达的高品质生物质炭。本发明解决了土壤重金属超积累植物体较难处置的难题，有助于推动重金属污染土壤植物修复技术的进一步发展，促进重金属污染土壤循环生态修复技术的形成。
Description
技术领域
本发明涉及环境工程技术领域，更具体地说，涉及一种土壤重金属超积累植物体处置装置及制备生物质炭的方法。
背景技术
土壤是地球表面的一层疏松物质，供植物生长的主要根据地。因此，土壤是确保粮食供应、保障自然生态的基础和关键。然而，随着社会的快速发展，煤炭资源、矿山资源的过度开采、使用，致使大量的污染物进入土壤，并通过植物、动物富集而进入食物链，危害人体健康。其中，土壤重金属污染最严重，据报道(张小敏,张秀英,钟太洋,江洪.中国农田土壤重金属富集状况及其空间分布研究[J].环境科学,2014,35(02):692-703)，中国农田土壤普遍存在Pb、Cd、Cu和Zn超标的状况，Cd超标最严重，Pb次之。从区域角度出发，中国西南区域重金属污染最严重，形势不容乐观，亟待修复。还有报道称(串丽敏,赵同科,郑怀国,赵静娟, 张晓静,谭翠萍,李光达.土壤重金属污染修复技术研究进展[J].环境科学与技术,2014,37(S2):213-222)，重金属污染土壤修复技术主要有物理修复(客土法和热力恢复法)、化学修复(化学剂改良法和化学淋洗法)和生物修复(植物修复、动物修复、微生物修复)。在众多修复技术中，植物修复技术，尤其是利用超积累植物修复，具有原位、低成本、不破坏生态环境、无二次污染等优点，备受关注。经过近些年的快速发展，在全国范围内，超积累植物修复重金属污染土壤已被广泛接受和使用。例如，陈同斌等人(陈同斌李海翔,雷梅,武斌,宋波,张学洪.植物修复过程中蜈蚣草对土壤养分的吸收动态:5年田间定位试验[J].环境科学学报,2010,30(02):402-408)使用蜈蚣草治理湖南郴州As超标土壤。
但是，超积累植物对重金属污染土壤修复后，对含有高浓度的重金属植株体的处置研究较少，在项目实施过程中成为了限制因素和难点，严重制约了该技术的进一步发展。超积累植物体富含大量的重金属，处置不当容易造成二次污染。目前，主要处置方法有焚烧法、堆肥法、压缩填埋法、灰化法。焚烧法和灰化法将植物有机质彻底分解，无法回收利用大量光合作用产生的高分子碳水化合物，并产生大量二噁英等致癌物质，堆肥法和压缩填埋法无法去除重金属，存在二次环境污染问题。且这些方法大多仅适用于实验室内研究，缺乏对应的装置在修复场地使用。土壤重金属污染往往是复合式污染，重金属种类繁多，且仅简单处置超积累植株体，其残渣、废气等中的重金属回收还需借助其他技术手段。鉴于此，发明一种高效、简便、环境友好型土壤重金属超积累植物体处置装置是十分必要和急迫的，同时回收利用超积累植株体和重金属，有助于推动土壤重金属植物修复技术的进一步发展，保障人体健康。
经检索，发明创造的名称为：一种实验室用重金属超富集植物燃烧炉(专利申请号： CN201610895957.6，申请日：2016-10-14)，其包括进气系统、燃烧炉体、以及尾气处理系统，燃烧炉体包括外壳、炉门、焚烧区、进气管道以及出气管道，出气管道内设置有微孔烧结滤片，出气管道与焚烧区连接处设置有凹槽，凹槽内设置有飞灰收集盒，进气系统包括燃料气瓶和管道，尾气处理系统包括电除尘器和吸收塔，电除尘器一端与出气管道相连接、另一端与吸收塔相连接，本发明使得研究试验中的重金属超富集植物可燃烧更充分，方便重金属超富集植物的取放和飞灰的收集，保护大气环境，但是不能对重金属植物中的重金属进行回收，造成了资源的浪费，此外，植物体直接燃烧成为灰分，同样是一种农业废弃物资源的浪费。
此外，发明创造的名称为：土壤重金属修复植物综合处理的方法及装置(申请号：CN200910193803.2，申请日：2009.11.10)，其土壤重金属修复植物综合处理的步骤包括：土壤重金属修复植物气化形成气化灰渣和气化气体产物，气化气体产物与辅助燃料、水蒸气和富氧空气通入气流床制取得到化学合成气和熔渣；化学合成气经冷却送入后续工序利用，熔渣冷却得到水冷渣；富含重金属的冷却水经沉淀和化学提取回收重金属，可避免二次污染，同时满足不同合成工艺的需要。本申请案的不足之处在于：处理步骤较繁琐，重金属回收率较低，植物体直接气化成渣，是一种农业废弃物资源的浪费。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术中，对土壤重金属超积累植物体处理的不足，提供了一种土壤重金属超积累植物体处置装置及制备生物质炭的方法，用于将植物体回收、制备成多孔生物质炭，同时回收处理植物体中的重金属；进一步地，该多孔生物质炭可以通过钝化作用修复重金属污染土壤，为环境友好、高效、可循环的植物修复技术提供技术支持。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种土壤重金属超积累植物体处置装置，包括炭化炉、酸洗室和电渗析室，所述的炭化炉上设置有磷酸存储罐，且炭化炉通过管道与氮气存储罐相连，炭化炉的底部出口端通过管道与酸洗室相连，该酸洗室上设置有盐酸存储罐，酸洗室内设置有多孔滤筒和搅拌棒，所述酸洗室的底部出口通过管道与电渗析室相连通，该电渗析室的内部设置有离子交换膜，所述电渗析室底部的废酸出口通过管道与酸性残液收集室相连。
优选地，所述的电渗析室包括两个电极，离子交换膜包括阴离子膜和一价阳离子膜，阴离子膜和一价阳离子膜交错排列在电渗析室的内部，其中靠近阴极的离子交换膜为阴离子膜，靠近阳极的离子交换膜为一价阳离子膜。
优选地，还包括沉淀室，电渗析室底部的废水出口通过管道与沉淀室相连，且沉淀室上设置有硫化氢存储罐。
优选地，炭化炉内部设置有分层的加热隔板。
优选地，还包括水体存储罐，水体存储罐的进口通过管道与沉淀室出口相连，且沉淀室与水体存储罐之间设置有过滤室，该过滤室内设置有孔滤筒；水体存储罐的出口通过管道与炭化炉相连。
优选地，还包括排气主管，所述炭化炉、酸洗室和电渗析室上设置有排气管，上述的排气管分别与排气主管相连，排气主管的尾端设置有废气净化室，废气净化室内设置有污染物吸附剂。
本发明的一种利用土壤重金属超积累植物体制备生物质炭的方法，步骤如下：步骤一：将用于修复重金属污染土壤的植物体置入炭化炉内进行杀青处理，杀青后将炭化炉抽真空，抽真空完成后再向炭化炉通入氮气，而后升温对土壤重金属超积累植物体进行初步炭化，得到炭渣；步骤二：当炭渣冷却至室温后，向炭化炉内注入磷酸和水，混合均匀后对其进行加热，在高温条件下将炭渣活化成多孔炭；步骤三：多孔炭随水流进入酸洗室进行酸洗处理，并酸洗处理除去多孔炭中的超积累重金属，而后过滤得到多孔生物质炭。
优选地，步骤二中的磷酸的质量浓度为30～50％。
优选地，步骤二中植物体和磷酸的质量比为1：(1～5)。
优选地，超积累植物体内包含有Cd、Cu、Zn、As、Cr、Pb元素。
优选地，步骤一中炭化炉(100)的加热温度为100～120℃，持续时间为6h；步骤二中炭化炉(100)的加热温度为300～400℃，持续时间为6h。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种土壤重金属超积累植物体处置装置，包括炭化炉、酸洗室、电渗析室和沉淀室，炭化炉、酸洗室、电渗析室和沉淀室之间通过管道依次连接，可以连续地对土壤重金属超积累植物体进行处理，一次性回收植物体和植物体中的重金属，无需进行额外的残渣处理措施，同时炭化炉、酸洗室、电渗析室和沉淀室依次排列，保证对植物体进行炭化、致孔、酸洗、电渗析和沉淀的过程中，反应可以按顺序依次进行，同时避免反应过程中，植物体的残渣对环境造成二次污染；
(2)本发明的一种土壤重金属超积累植物体处置装置，沉淀室通过管道和电渗析室相连，沉淀室的上方设置有硫化氢存储罐，且沉淀室和炭化炉之间依次设置有过滤室和水体存储罐，沉淀室、过滤室、水体存储罐和炭化炉之间依次通过管道连接，硫化氢存储罐通过向沉淀室内释放硫化氢而进一步地对溶液中的重金属进行沉淀，便于彻底分离溶液中的重金属，再将溶液转移至过滤室内抽滤进行对重金属的回收，经过滤室过滤分离的水溶液可以通过管道进入水体存储罐内并存储在水体存储罐中，当炭化炉内进行反应需要注水时，将水体存储罐内存储的水注入炭化炉内，可以循环利用反应中产生的水并节约生产成本；
(3)本发明的一种利用土壤重金属超积累植物体制备生物质炭的方法，利用土壤重金属超积累植物体中富含大量的重金属的特性，配合磷酸进行高温炭化、活化制备得到孔隙结构发达的高品质生物质炭，打破了现有技术中、无法利用植物体内的重金属处置土壤重金属超积累植物体的技术偏见，同时对重金属进行回收，制备的高品质多孔生物质炭可作为一种良好的土壤修复剂，对重金属污染的土壤进行修复。
附图说明
图1为本发明的一种土壤重金属超积累植物体处置装置的整体结构示意图；
图2为本发明的的电渗析室的结构示意图；
图3为本发明的一种土壤重金属超积累植物体处置方法的流程图。
示意图中的标号说明：
100、炭化炉；110、加热隔板；120、水管喷头；130、磷酸存储罐；140、氮气存储罐；
200、酸洗室；210、搅拌棒；220、多孔滤筒；230、盐酸存储罐；
300、电渗析室；310、离子交换膜；320、电极；330、酸性残液收集室；341、电渗析室Ⅰ；342、电渗析室Ⅱ；343、电渗析室Ⅲ；344、电渗析室Ⅳ；
400、沉淀室；410、硫化氢存储罐；
500、废气净化室；510、污染物吸附剂；520、水体存储罐；530、过滤室；540、物料管道；550、排气主管；551、尾端。
具体实施方式
下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴；除此之外，本发明的各个实施例之间并不是相互独立的，而是可以进行组合的。
实施例1
如图1所示，本发明的一种土壤重金属超积累植物体处置装置，包括炭化炉100、酸洗室200和电渗析室300。炭化炉100用于对土壤重金属超积累植物体进行高温炭烧，炭化炉100的内部设置有分层的加热隔板110，加热隔板110上放置土壤重金属超积累植物体，热量可直接通过加热隔板110传递至土壤重金属超积累植物体，对其进行高温分解。加热隔板110 之间的高度间隔可以设置为20cm，避免加热隔板110之间的间隔过短，进而可以避免加热隔板110之间的热量互相影响，使得土壤重金属超积累植物体的均匀受热量受到影响。此外加热隔板110可以为弧形，使得土壤重金属超积累植物体在加热隔板110上的受热效果更好。
炭化炉100的顶部设置有水管喷头120，水管喷头120用于对炭化炉100的内壁进行淋洗，使得炭化后产生的多孔炭随水流流入酸洗室200；炭化炉100通过管道与氮气存储罐140 相连，氮气存储罐140向炭化炉100内释放氮气用于排出炭化炉100的氧气，使得炭化炉100 呈现无氧状态，氮气还可控制炭化炉内的反应温度，对植物体进行炭化使得炭烧过程顺利进行；炭化炉100的上方设置有磷酸存储罐130，磷酸存储罐130通过管道和炭化炉100相连，磷酸存储罐130用于向炭化炉100内释放磷酸，生成的含有重金属的炭渣和磷酸充分混合后，加热活化成多孔炭。
炭化炉100的底部出口端通过管道与酸洗室200相连，酸洗室200上方设置有盐酸存储罐230，盐酸存储罐230通过管道和酸洗室200相连，多孔炭随水流进入酸洗室200后，盐酸存储罐230释放盐酸对多孔碳进行酸洗，其中酸洗室200内设置有搅拌棒210和多孔滤筒220，搅拌棒210对多孔炭和盐酸充分搅拌，使得多孔炭和盐酸充分接触，用于除去多孔炭中富集的超积累重金属，多孔滤筒220对多孔炭进行过滤，得到高品质生物质炭。
本发明制备得到的高品质生物质炭可作为一种良好的土壤修复剂，在制备高品质生物质炭的过程中，重金属超积累植物体内的重金属起到致孔的作用，使得制备的生物质炭具有多孔、高比表面积的特性，对重金属离子(Cd2+、Pb2+、Cu2+等)有很好的吸附固定作用。同时，高品质生物质炭可利用其吸附作用显著降低重金属在土壤中的迁移性，高效降低土壤中重金属的生物有效性和生物毒性，避免二次污染。
此外，高品质生物质炭还能够有效改善土壤结构，提高土壤孔隙度，促进水分、气体、养分的传输，为土壤微生物和植物提供优良的生活环境。
土壤中的重金属的酸溶态迁移性强，可以直接被生物利用；可还原态和可氧化态可以被植物间接利用，在一定的物理化学条件下会释放出来显示生物有效性，短期内不易释放，几乎不被生物利用或迁移性很小。向污染的土壤中添加本发明的高品质生物质炭，能减少土壤中酸溶态如Cd、Cu、Pb和Zn的含量，使植物最易吸收态重金属比例降低，进而可以提升土壤的养分吸持容量，使得土壤保持肥力；进一步地，还可以改善土壤中微生物的生存环境，广泛应用于重金属污染土壤的修复。
酸洗室200的底部出口通过管道与电渗析室300相连通，经多孔滤筒220抽滤后得到的含有重金属的滤液进入电渗析室300，其中多孔滤筒220的孔径为0.30～0.60μm，本实施例为 0.45μm。电渗析室300可用于回收处理滤液中的重金属元素。电渗析室300的内部设置有离子交换膜310(如图2所示)，离子交换膜310为极性、非极性吸附树脂，极性、非极性吸附树脂可吸附废气中有机无机小分子污染物。离子交换膜310包括阴离子膜和一价阳离子膜，其中阴离子膜和一价阳离子膜交错排列在电渗析室300的内部。电渗析室300包括两个电极 320，靠近阴极的离子交换膜310为阴离子膜，靠近阳极的离子交换膜310为一价阳离子膜。
本实施例中电渗析膜310的数量为8个，电渗析膜310以一价阳离子膜、阴离子膜、一价阳离子膜、阴离子膜的顺序排列，且从左到右依次设置在电渗析室300的内部。酸洗室200 中含重金属的酸洗液沿管道流入电渗析室300中的4个小电渗析室内，4个小电渗析室分别是电渗析室Ⅰ341、电渗析室Ⅱ342、电渗析室Ⅲ343、电渗析室Ⅳ344。其中小电渗析室由一价阳离子膜和阴离子膜组成，酸洗液沿管道均匀流入4个小电渗析室中。
现以电渗析室Ⅰ341中的酸洗液为例进行分析，酸洗液中的阴离子(如Cl-、OH-、PO4 3-) 在电场的作用下向阳极运动，其中阴离子穿过阴离子膜继续运动至电渗析室Ⅱ342的一价阳离子膜处，由于一价阳离子膜的选择透过性使得阴离子无法穿过一价阳离子膜继续向阳极运动，阴离子停留在电渗析室Ⅰ341和电渗析室Ⅱ342之间。酸洗液中的阳离子(如H+、Zn2+、 Pb2+、Cd+)在电场的作用下向电渗析室300的阴极运动，其中一价阳离子(如H+)穿过一价阳离子膜运动至阴极，并在阴极处发生还原反应，其余的阳离子如Zn2+、Pb2+等重金属离子继续停留在电渗析室Ⅰ341中。其他电渗析室的工作原理如上，在此不再赘述。
电渗析室300的底部设置有废酸出口，废酸出口通过管道与酸性残液收集室330相连，当电渗析室300停止工作后，各个小电渗析室之间的酸液通过管道流入酸性残液收集室330 内，进行无害化处理。
需要注意的是，本发明包括沉淀室400。电渗析室300底部的废水出口通过管道与沉淀室400相连，电渗析室Ⅰ341、电渗析室Ⅱ342、电渗析室Ⅲ343、电渗析室Ⅳ344内的重金属溶液沿管道流入沉淀室400进行沉淀处理。沉淀室400的上方设置有硫化氢存储罐410，当需要对重金属进行沉淀时，硫化氢存储罐410向沉淀室400内释放硫化氢。硫化氢和沉淀室400内的重金属发生沉淀反应，实现对重金属的回收。
值得说明的是，本发明还包括水体存储罐520。水体存储罐520的进口通过管道与沉淀室400出口相连，且沉淀室400与水体存储罐520之间设置有过滤室530，沉淀室400内的重金属沉淀沿水流流入过滤室530，该过滤室530内设置有孔滤筒220，重金属沉淀物留在多孔滤筒220内等待下一步的处理，滤液透过多孔滤筒220沿管道流向水体存储罐520进行存储。水体存储罐520的出口通过管道与炭化炉100相连，当炭化炉100内需进行淋洗时，水体存储罐520内的滤液通过炭化炉100的水管喷头120对炭化炉100的内壁进行淋洗，可以循环利用并节约生产成本。
本发明的一种利用土壤重金属超积累植物体制备生物质炭的方法，其中处理所用的植物体为用于植物修复技术的土壤重金属超积累植物体，土壤重金属超积累植物体内包含有Cd、 Cu、Zn、As、Cr、Pb元素。其中植物提取修复技术利用超积累植物的提取作用，发挥植物的挥发作用以及固话植物的稳定作用，在稳定污染土壤、减少风蚀水蚀及防止地下水二次污染的同时，使污染土壤得到修复，被认为是最为有效的植物修复策略之一。而作为植物提取修复的重要组成部分，土壤重金属超积累植物生物质的处置被认为是制约植物修复商业化应用的重要因素之一，本发明所处理的植物体为未进行重金属去除处理的土壤重金属超积累植物体。
如图3所示，本发明的一种土壤重金属超积累植物体处置方法，具体步骤如下：
步骤一：将用于修复重金属污染土壤的植物体置入炭化炉100内进行杀青处理，杀青后将炭化炉100抽真空，抽真空完成后再向炭化炉100通入氮气，而后升温对土壤重金属超积累植物体进行初步炭化，得到炭渣；土壤重金属超积累植物体内含有Cd、Cu、Zn，且500ppm≤ Cd≤2 000ppm，500ppm≤Cu≤2000ppm，500ppm≤Zn≤2000ppm；本实施例中土壤重金属超积累植物体内的Cd元素的含量为500ppm，Cu元素的含量为500ppm，Zn元素的含量为 500ppm。
(1)先将土壤重金属超积累植物体压实称重后，置入炭化炉100内进行杀青，去除植物体中的水分；
(2)排气管550通过管道将炭化炉100内部抽成真空后，氮气存储罐140再向炭化炉100中充入氮气，使炭化炉100内部保持正压；
(3)最后炭化炉100中的加热隔板110升温加热，均匀的对土壤重金属超积累植物体进行初步炭化，得到炭渣，加热隔板110的加热温度为100～120℃，本实施例取100℃，持续时间为6h；
步骤二：当炭渣冷却至室温后，向炭化炉100内注入磷酸和水，混合均匀后对其进行加热，在高温条件下将炭渣活化成多孔炭；其中
(1)炭渣冷却至室温后，磷酸存储罐130通过管道向炭化炉100内注入磷酸溶液，磷酸溶液的质量百分浓度为30～50％，而后炭化炉100再通过水管喷头120向炭化炉100内注入水；磷酸溶液的添加量为m1，炭渣的质量为m2，m1≥m2，且植物体和磷酸溶液的质量比为1： (1～5)，本实施例中植物体和磷酸的质量比为1：1。
(2)将炭渣、磷酸和水混合均匀后，炭化炉100的加热隔板110进行升温加热，在高温条件下将炭渣活化成多孔炭。加热隔板110的加热温度为300～400℃，持续时间为6h，本实施例中加热隔板110的加热温度取300℃。
步骤三：多孔炭随水流进入酸洗室200进行酸洗处理，盐酸存储罐230向酸洗室200内注入盐酸，盐酸的体积浓度为10％。搅拌棒210对多孔炭和盐酸酸液充分搅拌，促进金属离子的释放，酸洗处理除去多孔炭中的超积累重金属，而后对多孔滤筒220进行抽滤得到多孔生物质炭，且多孔滤筒220的孔径为0.45μm，通过多孔滤筒220过滤得到的生物质炭对土壤具有良好的修复效果。
本实施例的制备步骤包含致孔步骤，与现有技术中直接固定化装置相比，本发明制备的多孔生物质炭的孔隙增加，能增加固定重金属的位点，提高固定效果；进一步地，本发明制备的多孔生物质炭可原位施加于土壤中足控重金属的迁移，有助于形成循环生态修复技术。
步骤四：滤液进入电渗析室300，含有重金属的酸洗液在外电场的分离作用下分离得到酸性残液和重金属废液，其中酸性残液流入酸性残液收集室330内，重金属进入沉淀室400 进行沉淀处理。
现有技术中，本领域的技术人员为了对土壤重金属超积累植物生物质进行处置，主要使用焚烧法、堆肥法、压缩填埋法和灰化法。其中堆肥法和压缩填埋法无法去除植物体内的重金属，存在二次环境污染问题；焚烧法和灰化法只能针对土壤重金属超积累植物生物质中几种有限的重金属，无法去除所有的重金属，同时处置过程产生的残渣、废气等包含的重金属回收还需借助其他技术手段，步骤多且过程较为繁琐。尤其需要注意的是，焚烧法和灰化法会产生大量二噁英等致癌物质，二噁英对人类健康和自然环境危害极大，在自然环境中很难降解，能够在全球范围内长距离迁移。二噁英一旦排放在空气中，很难自然降解消除，被生物体摄入后很难分解，并沿着食物链浓缩放大，对人类和动物危害极大。上述方法还会对处置后的壤重金属超积累植物生物质造成损害，无法对其进行二次利用。因此革新现有的土壤重金属超积累植物体处理方法势在必行。
在现有技术中，并没有人回收并利用重金属超积累植物体的前提下，本发明打破了现有技术的技术偏见，对重金属超积累植物体进行回收利用。先使用超积累植物收集土壤中的重金属解决土壤重金属超标的问题，然后充分发挥重金属超积累植物体中富含大量重金属的特点，将重金属超积累植物体转变为一种优良的多孔炭前驱体，化缺点为优点，进一步挖掘其剩余价值。本发明在高温环境下，以植物体内含有的重金属作为催化剂、磷酸溶液作为活化剂，对生成的炭渣进行高温炭化，重金属可以大幅度提升炭材料的孔隙结构，高温条件下植物体内的重金属会氧化或成盐然后分解，与碳反应、释放CO2等气体形成部分孔隙而生成多孔炭。
最重要的是，本发明将多孔炭随酸液移入酸洗室200进行酸洗，镶嵌在多孔炭中的重金属及其重金属盐会被盐酸洗出来，留下大量的孔隙而最终形成高品质生物质炭，实现利用土壤重金属超积累植物体制备多孔炭。而现有的本领域技术人员往往选择填埋土壤重金属超积累植物体，忽视了其具有的回收利用价值，本发明通过充分利用重金属和磷酸的协同作用，解决了土壤重金属超积累植物体的处置问题，并将制备得到的多孔生物质炭用于修复土壤，达到意想不到的效果。此外，在对重金属超积累植物体进行回收利用的过程中，还能对产生的废气、废液进行处理，避免造成二次污染。本发明具有非显而易见性，具有突出的实质性特点和显著的进步。
实施例2
本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：本实施例还包括排气主管550，炭化炉 100、酸洗室200和电渗析室300上设置有排气管，上述的排气管分别与排气主管550相连，排气主管550的尾端551设置有废气净化室500，废气净化室500内设置有污染物吸附剂510。炭化炉100对土壤重金属超积累植物体进行高温炭化时，通过排气管550将炭化炉100内部抽成真空；电渗析室300中的离子发生氧化还原反应生成气体，产生的气体经排气管550排除电渗析室300，使得电渗析室300的内部气压保持平衡；沉淀室400中多余的硫化氢气体被废气净化室500内的污染物吸附剂510吸附，进行尾气处理，避免硫化氢气体污染空气。
实施例3
本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：
本发明的一种土壤重金属超积累植物体处置方法，具体步骤如下：
步骤一：将土壤重金属超积累植物体置入炭化炉100内杀青后，将炭化炉100抽成真空并通入氮气，再升温对土壤重金属超积累植物体进行初步炭化，得到炭渣；本实施例中，土壤重金属超积累植物体内Cd元素的含量为1000ppm，Cu元素的含量为1000ppm，Zn元素的含量为1000ppm；其中
(1)先将土壤重金属超积累植物体压实称重后，置入炭化炉100内进行杀青；
(2)排气管550通过管道将炭化炉100内部抽成真空后，氮气存储罐140再向炭化炉100中充入氮气，使炭化炉100内部保持正压；
(3)最后炭化炉100中的加热隔板110升温加热，均匀的对土壤重金属超积累植物体进行初步炭化，得到炭渣，加热隔板110的加热温度为100～120℃，本实施例取120℃，持续时间为6h；
步骤二：将炭渣冷却至室温后，向炭化炉100内注入磷酸和水，混合均匀后对其进行加热，在高温条件下将炭渣活化成多孔炭；其中
(1)炭渣冷却至室温后，磷酸存储罐130通过管道向炭化炉100内注入磷酸，磷酸的浓度为30～50％，炭化炉100通过水管喷头120向炭化炉100内注入水；磷酸的添加量为m1，炭渣的质量为m2，m1≥m2，且植物体和磷酸的质量比为1：(1～5)，本实施例中植物体和磷酸的质量比为1：5，可以加快反应速率，同时生成更多的孔。
(2)将炭渣、磷酸和水混合均匀后，炭化炉100的加热隔板110进行升温加热，在高温条件下将炭渣活化成多孔炭。加热隔板110的加热温度为300～400℃，持续时间为6h，本实施例中加热隔板110的加热温度取400℃。
步骤三：多孔炭随水流进入酸洗室200进行酸洗，盐酸存储罐230向酸洗室200内注入盐酸，搅拌棒210对多孔炭和盐酸酸液充分搅拌，除去多孔炭中的超积累重金属，对多孔滤筒220进行抽滤得到多孔生物质炭，且多孔滤筒220的孔径为0.60μm，通过多孔滤筒220过滤得到的生物质炭对土壤具有更优的修复效果。
步骤四：滤液进入电渗析室300，在外电场的分离作用下，酸性残液流入酸性残液收集室330内，重金属进入沉淀室400进行沉淀处理，同时沉淀后的废水经过滤室530进行处理并存储，便于多次循环利用。
实施例4
本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：
本发明的一种土壤重金属超积累植物体处置方法，具体步骤如下：
步骤一：将土壤重金属超积累植物体置入炭化炉100内杀青后，将炭化炉100抽成真空并通入氮气，再升温对土壤重金属超积累植物体进行初步炭化，得到炭渣；本实施例中，土壤重金属超积累植物体内Cd元素的含量为2000ppm，Cu元素的含量为2000ppm，Zn元素的含量为2000ppm；其中
(1)先将土壤重金属超积累植物体压实称重后，置入炭化炉100内进行杀青；
(2)排气管550通过管道将炭化炉100内部抽成真空后，氮气存储罐140再向炭化炉100中充入氮气，使炭化炉100内部保持正压；
(3)最后炭化炉100中的加热隔板110升温加热，均匀的对土壤重金属超积累植物体进行初步炭化，得到炭渣，加热隔板110的加热温度为100～120℃，本实施例取110℃，持续时间为6h；
步骤二：将炭渣冷却至室温后，向炭化炉100内注入磷酸和水，混合均匀后对其进行加热，在高温条件下将炭渣活化成多孔炭；其中
(1)炭渣冷却至室温后，磷酸存储罐130通过管道向炭化炉100内注入磷酸，磷酸的浓度为30～50％，炭化炉100通过水管喷头120向炭化炉100内注入水；磷酸的添加量为m1，炭渣的质量为m2，m1≥m2，且植物体和磷酸的质量比为1：(1～5)，本实施例中植物体和磷酸的质量比为1：3，可以加快反应速率，同时生成更多的孔。
(2)将炭渣、磷酸和水混合均匀后，炭化炉100的加热隔板110进行升温加热，在高温条件下将炭渣活化成多孔炭。加热隔板110的加热温度为300～400℃，持续时间为6h，本实施例中加热隔板110的加热温度取350℃。
步骤三：多孔炭随水流进入酸洗室200进行酸洗，盐酸存储罐230向酸洗室200内注入盐酸，搅拌棒210对多孔炭和盐酸酸液充分搅拌，除去多孔炭中的超积累重金属，对多孔滤筒220进行抽滤得到多孔生物质炭，且多孔滤筒220的孔径为0.50μm，通过多孔滤筒220过滤得到的生物质炭对土壤具有更优的修复效果。
步骤四：滤液进入电渗析室300，在外电场的分离作用下，酸性残液流入酸性残液收集室330内，重金属进入沉淀室400进行沉淀处理，同时沉淀后的废水经过滤室530进行处理并存储，便于多次循环利用。
在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。
Claims (10)
1.一种土壤重金属超积累植物体处置装置，其特征在于：包括炭化炉(100)、酸洗室(200)和电渗析室(300)，所述的炭化炉(100)上设置有磷酸存储罐(130)，且炭化炉(100)通过管道与氮气存储罐(140)相连，炭化炉(100)的底部出口端通过管道与酸洗室(200)相连，该酸洗室(200)上设置有盐酸存储罐(230)，酸洗室(200)内设置有多孔滤筒(220)和搅拌棒(210)，所述酸洗室(200)的底部出口通过管道与电渗析室(300)相连通，该电渗析室(300)的内部设置有离子交换膜(310)，所述电渗析室(300)底部的废酸出口通过管道与酸性残液收集室(330)相连。
2.根据权利要求1所述的一种土壤重金属超积累植物体处置装置，其特征在于：所述的电渗析室(300)包括两个电极(320)，离子交换膜(310)包括阴离子膜和一价阳离子膜，阴离子膜和一价阳离子膜交错排列在电渗析室(300)的内部，其中靠近阴极的离子交换膜(310)为阴离子膜，靠近阳极的离子交换膜(310)为一价阳离子膜。
3.根据权利要求1所述的一种土壤重金属超积累植物体处置装置，其特征在于：还包括沉淀室(400)，电渗析室(300)底部的废水出口通过管道与沉淀室(400)相连，且沉淀室(400)上设置有硫化氢存储罐(410)。
4.根据权利要求1所述的一种土壤重金属超积累植物体处置装置，其特征在于：炭化炉(100)内部设置有分层的加热隔板(110)。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种土壤重金属超积累植物体处置装置，其特征在于：还包括排气主管(550)，所述炭化炉(100)、酸洗室(200)和电渗析室(300)上设置有排气管，上述的排气管分别与排气主管(550)相连，排气主管(550)的尾端(551)设置有废气净化室(500)，废气净化室(500)内设置有污染物吸附剂(510)。
6.一种利用土壤重金属超积累植物体制备生物质炭的方法，其特征在于：步骤如下：
步骤一：将用于修复重金属污染土壤的植物体置入炭化炉(100)内进行杀青处理，杀青后将炭化炉(100)抽真空，抽真空完成后再向炭化炉(100)通入氮气，而后升温对土壤重金属超积累植物体进行初步炭化，得到炭渣；
步骤二：当炭渣冷却至室温后，向炭化炉(100)内注入磷酸和水，混合均匀后对其进行加热，在高温条件下将炭渣活化成多孔炭；
步骤三：多孔炭随水流进入酸洗室(200)进行酸洗处理，并酸洗处理除去多孔炭中的超积累重金属，而后过滤得到多孔生物质炭。
7.根据权利要求6所述的一种利用土壤重金属超积累植物体制备生物质炭的方法，其特征在于：步骤二中的磷酸的质量浓度为30～50％。
8.根据权利要求6所述的一种利用土壤重金属超积累植物体制备生物质炭的方法，其特征在于：步骤二中植物体和磷酸的质量比为1：(1～5)。
9.根据权利要求6所述的一种利用土壤重金属超积累植物体制备生物质炭的方法，其特征在于：超积累植物体内包含有Cd、Cu、Zn、As、Cr、Pb元素。
10.根据权利要求7～9任意一项所述的一种利用土壤重金属超积累植物体制备生物质炭的方法，其特征在于：步骤一中炭化炉(100)的加热温度为100～120℃，持续时间为6h；步骤二中炭化炉(100)的加热温度为300～400℃，持续时间为6h。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910062830.XA CN109604314B (zh) | 2019-01-23 | 2019-01-23 | 一种土壤重金属超积累植物体处置装置及制备生物质炭的方法 |
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| CN110898825A (zh) * | 2019-12-13 | 2020-03-24 | 南京农业大学 | 一种重金属超富集生物质炭催化剂及其制备方法与应用 |
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2019
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| Title |
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