CN110743494B - 一种玉米芯改性活性炭土壤重金属吸附材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种玉米芯改性活性炭土壤重金属吸附材料及其制备方法，属于土壤污染生态修复技术领域。所述玉米芯改性活性炭重金属吸附材料具有玉米芯结构的多孔隙碳材料，是干燥的玉米芯吸附高锰酸钾溶液后，经干燥在氮气保护气氛中热解，获得玉米芯状的生物炭，玉米芯状的生物炭再浸吸氢氧化钠或氢氧化钾溶液后干燥，得到玉米芯改性活性炭重金属吸附材料，具有与玉米芯相近的体积大小与强度非常方便在土壤翻耕时填埋与回收，对土壤中重金属具有吸附性效果好，高效、费时少，能将污染土壤的重金属永久的除去，多次使用不会对土壤产生二次污染，还可以增强土壤肥力，本发明的制备方法工艺简单、操作简便，便于规模化工业生产和应用。

Description

一种玉米芯改性活性炭土壤重金属吸附材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于土壤重金属吸附的玉米芯改性活性炭，属于土壤污染生态修复技术领域。
背景技术
近年来，土壤污染日趋严重，已经严重影响到农产品的产量和质量。而重金属污染是土壤污染的一个主要方面。保护耕地，保障食品安全成为当下人们关注的焦点。关于土壤重金属阻控和技术修复的研究层出不穷，但总体来说，国内外对于重金属污染的治理基本分为两种：一种是“去除”，将重金属从环境介质中去除；一种是“固定”，改变重金属元素的存在形态，降低其活性和生物有效性，将重金属钝化。目前，广泛采用的重金属钝化技术就是通过向污染基质中添加钝化剂(也叫土壤调节剂)来降低重金属的溶解性、迁移能力和生物有效性，从而转化为低毒性或移动性较低的化学形态，以减轻其对生态系统的危害，添加钝化剂将重金属由生物有效性高的可交换态和碳酸盐结合态向生物有效性低的有机结合态和残渣态转化。大量使用钝化剂又面临两个方面的问题：一是钝化效果受环境基质性质、污染元素及浓度、钝化剂种类及用量等影响较大，土壤环境有二次污染的风险；另一方面，钝化修复的长期稳定性问题。化学钝化重金属只是改变了其存在形态，降低其生物有效性，但金属元素仍保留在土壤中，土壤环境条件(pH、Eh、有机质和微生物)改变可能会引起重金属的再次活化，重金属的长期稳定性乃原位钝化修复成功的关键。将重金属从环境介质中去除是一种最理想的方法，目前主要采用种植对特定重金属具有较强吸附特性的植物，但吸收效率低，时间长。
将重金属从环境介质中去除的理想材料是既能快速的吸附土壤中的重金属，又能方便的从土壤中回收，目前能对土壤中重金属具有吸附功能的材料有很多，其中活性炭由于具有孔隙结构发达、比表面积大、易化学修饰和吸附性能优良的性质，被广泛研究与应用，Cheng[Ecological Engineering,87(2016)240-245.]等研究了通过花生壳制备的活性炭对重金属镉吸附的研究。H.Park[Chemosphere,142(2016)77-83]等制备了秸秆活性炭用于多种重金属的吸附研究。都具有很好的吸附特性，但其粉体状无法从土壤中分离出来，作用类似于土壤钝化剂。至目前为止，还未有满足对土壤重金属吸附性效果好，高效、费时少，方便回收的吸附材料及其制备方法的报道。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的是要解决现有土壤重金属污染处理材料存在的缺陷，采用玉米芯为原材料，提供一种具有对土壤中重金属具有吸附性效果好，高效、费时少，方便回收的吸附材料及其制备方法。
为实现上述目的：本发明的技术解决方案是：
一种玉米芯改性活性炭土壤重金属吸附材料，其特征在于：所述的玉米芯改性活性炭重金属吸附材料具有玉米芯结构的多孔隙炭材料，是干燥的玉米芯吸附高锰酸钾溶液后，经干燥在氮气保护气氛中热解，获得玉米芯状的生物炭，玉米芯状的生物炭再浸吸氢氧化钠或氢氧化钾溶液后干燥，得到玉米芯改性活性炭重金属吸附材料。
玉米芯改性活性炭土壤重金属吸附材料制备方法按以下步骤进行：
a.取干燥的玉米芯浸入0.5wt％-2wt％浓度的高锰酸钾溶液中30min后取出，干燥，再将均匀吸附有高锰酸钾的玉米芯在氮气气氛下，以3～8℃/min的升温速率加热至250～350℃，保温40～80min，得到玉米芯炭；
b.将步骤a得到的玉米芯炭浸入0.5wt％-2wt％浓度的氢氧化钠或氢氧化钾溶液中30min后取出，干燥。
由于采用以上技术方案，本发明玉米芯改性活性炭土壤重金属吸附材料保留了玉米芯结构与体积可以方便的从土壤中分捡回收，也就永久的除去或减少了土壤中的重金属。玉米芯改性活性炭填埋与土壤中具有松软土层，增加土壤肥力，促进作物生长的作用。
本发明方法以玉米芯为原料，其是一种天然的生物质资源，是农作物的废弃物，来源广泛、取之自然，回归于自然的过程，实现了农业废弃生物质资源的再利用。且本发明方法制备工艺简单、操作简便，便于规模化工业生产和应用。
本发明方法以玉米芯为原料，玉米芯本身具有轻质多孔结构及一定的吸附性。
本发明玉米芯改性活性炭土壤重金属吸附材料的制备方法中干燥的玉米芯浸吸高锰酸钾溶液，意在引入热解催化剂锰氧化物，有助于高温下玉米芯的脱羧、脱氢反应，提高玉米芯炭化效率，降低玉米芯炭化温度、减少炭化时间，降低能耗，同时也可增加重金属离子的亲和力，从而提高对土壤中重金属离子的吸附效率。
本发明玉米芯改性活性炭土壤重金属吸附材料的制备方法中，以3～8℃/min的升温速率加热至250～350℃，保温40～80min的炭化工艺的限定使得到的玉米芯炭与炭化前具有相同的整体结构及一定的强度，确保玉米芯炭在土壤填埋及回收过程中不易破碎，具有可回收的特性。
本发明玉米芯改性活性炭土壤重金属吸附材料的制备方法中在氮气气氛下高温炭化使获得的玉米芯炭的比表面积和孔体积大增大，并且具有介孔结构，为重金属的吸附同时提供物理吸附空间和化学吸附活性位点，极大的改善了吸附材的吸附性能，具有吸附率容量高，去除率高等特点，因而其在重金属吸附领域有着很好的成本优势和应用前景，可广泛应用于在环境治理修复领域中，特别适用于重金属污染土壤修复中重金属的吸附。
本发明方法对玉米芯炭进行氢氧化钠或氢氧化钾溶液处理，引入羟基官能团，增加了活性炭的吸附位点，促进活性态重金属在玉米芯炭中固化沉淀。
本发明玉米芯改性活性炭土壤重金属吸附材料，同时兼顾了吸附过程中的物理吸附和化学吸附，吸附率容量高，去除率高。
本发明玉米芯改性活性炭土壤重金属吸附材料与玉米芯相近的体积大小与强度非常方便在土壤翻耕时填埋与回收。
本发明玉米芯改性活性炭土壤重金属吸附材料在吸附固定土壤中重金属中的应用，可用于吸附固定土壤中的镍和/或镉。
本发明玉米芯改性活性炭土壤重金属吸附材料，具体的所述应用的方法：将玉米芯改性活性炭在土壤翻耕时均匀填埋在犁沟里，填埋深度为10～20cm，适用于坡地、灌溉地和水田，坡地、灌溉地可在种植一季作物后或经过一个雨季后，再次翻耕土壤时收回吸附有重金属的玉米芯改性活性炭，水田中填埋7～20天后，再次翻耕回收吸附有重金属的玉米芯改性活性炭。土壤重金属污染严重地块可以多次使用本发明玉米芯改性活性炭除去土壤中重金属，多次使用本发明玉米芯改性活性炭不会对土壤产生二次污染。
附图说明
图1为玉米芯改性活性炭土壤重金属吸附材料表面形貌电镜图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
一种玉米芯改性活性炭土壤重金属吸附材料及其制备方法，所述的玉米芯改性活性炭重金属吸附材料具有玉米芯结构的多孔隙炭材料，是干燥的玉米芯吸附高锰酸钾溶液后，经干燥在氮气保护气氛中热解，获得玉米芯状的生物炭，玉米芯状的生物炭再浸吸氢氧化钠或氢氧化钾溶液后干燥，得到玉米芯改性活性炭重金属吸附材料。
一种玉米芯改性活性炭土壤重金属吸附材料的制备方法，玉米芯干燥，高锰酸钾溶液，氢氧化钠溶液和氢氧化钾溶液配制后，所述的制备方法按以下步骤：
a.取干燥的玉米芯浸入0.5wt％-2wt％浓度的高锰酸钾溶液中30min后取出，干燥，再将均匀吸附有高锰酸钾的玉米芯在氮气气氛下，以3～8℃/min的升温速率加热至250～350℃，保温40～80min，得到玉米芯炭；
b.将步骤a得到的玉米芯炭浸入0.5wt％-2wt％浓度的氢氧化钠或氢氧化钾溶液中30min后取出，干燥。
如上所述的制备步骤a中玉米芯浸入0.5wt％-2wt％浓度的高锰酸钾溶液中30min后取出后的干燥，是玉米芯过滤出多余的高锰酸钾溶液后，可以是自然风干，或阳光下晒干，或在60℃-100℃干燥炉中10小时-20小时烘干。步骤b中吸附有0.5wt％-2wt％浓度的氢氧化钠或氢氧化钾溶液的玉米芯炭的干燥，也可以是自然风干，或阳光下晒干，或在60℃-100℃干燥炉中10小时-20小时烘干。
具体实施例
按上述制备方法
实施例一：
a.取干燥的玉米芯浸入0.5wt％浓度的高锰酸钾溶液中30min后取出，干燥，再将均匀吸附有高锰酸钾的玉米芯在氮气气氛下，以3℃/min的升温速率加热至350℃，保温80min，得到玉米芯炭；
b.将步骤a得到的玉米芯炭浸入0.5wt％浓度的氢氧化钠或氢氧化钾溶液中30min后取出，干燥。
实施例二：
a.取干燥的玉米芯浸入1wt％浓度的高锰酸钾溶液中30min后取出，干燥，再将均匀吸附有高锰酸钾的玉米芯在氮气气氛下，以6℃/min的升温速率加热至300℃，保温60min，得到玉米芯炭；
b.将步骤a得到的玉米芯炭浸入1wt％浓度的氢氧化钠或氢氧化钾溶液中30min后取出，干燥。
实施例三：
a.取干燥的玉米芯浸入2wt％浓度的高锰酸钾溶液中30min后取出，干燥，再将均匀吸附有高锰酸钾的玉米芯在氮气气氛下，以3℃/min的升温速率加热至250℃，保温40min，得到玉米芯炭；
b.将步骤a得到的玉米芯炭浸入2wt％浓度的氢氧化钠或氢氧化钾溶液中30min后取出，干燥。

Claims (4)

1.一种玉米芯改性活性炭土壤重金属吸附材料，其特征在于：所述玉米芯改性活性炭重金属吸附材料具有玉米芯结构的多孔隙碳材料，是取干燥的玉米芯浸入0.5wt%-2wt%浓度的高锰酸钾溶液中30min后取出，干燥，再将均匀吸附有高锰酸钾的玉米芯在氮气气氛下，以3～8℃/min的升温速率加热至250～350℃，保温40～80min，得到玉米芯状的生物炭，玉米芯状的生物炭再浸入0.5wt%-2wt%浓度的氢氧化钠或氢氧化钾溶液中30min后取出，干燥，得到玉米芯改性活性炭重金属吸附材料。
2.如权利要求1中所述的玉米芯改性活性炭在吸附固定土壤内重金属中的应用。
3.如权利要求2所述的应用，其特征在于所述玉米芯改性活性炭用于吸附固定土壤中的镍和/或镉。
4.如权利要求3所述的应用，其特征在于所述应用的方法为：将权利要求1中所述玉米芯改性活性炭在土壤翻耕时均匀填埋在犁沟里，填埋深度为10～20cm，适用于坡地、灌溉地和水田，坡地、灌溉地在种植一季作物后或经过一个雨季后，再次翻耕土壤时收回吸附有重金属的玉米芯改性活性炭，水田中填埋7～20天后，再次翻耕回收吸附有重金属的玉米芯改性活性炭。
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