CN111906138A - 一种基于生物炭降解有机污染物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于生物炭降解有机污染物的方法，先将有机污染物pH值调整为3‑9，再加入三价铁盐、过硫酸盐、生物炭，进行搅拌，室温下氧化降解处理0.5‑5h；本发明充分利用生物炭的氧化还原能力，提供电子将变价金属还原进而活化过硫酸盐，生成硫酸根、羟基和超氧阴离子自由基，从而实现污染物的高效降解本发明操作简单、去除效果好、抗干扰能力强、成本低、不会形成二次污染等优点，对于实际有机物污染土壤和地下水的原位化学氧化修复中具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于环境功能新材料、土壤修复和水处理技术领域，特别涉及一种基于生物炭降解有机污染物的方法。
背景技术
近年来，在污染土壤和地下水的修复中，基于过硫酸盐的绿色高效的原位化学氧化技术得到了广泛的关注。过硫酸盐可以经过活化后产生强氧化性的硫酸根自由基SO4 -·，具有较高的氧化还原电位、存留时间长和氧化选择性高等特点。但是，过硫酸盐的活化需要依托于活化因子，而目前的活化因子主要存在成本高和二次污染的问题。因此，高效、稳定、成本少、无毒无污染的过硫酸盐活化体系是污染土壤和地下水原位修复的迫切需求。
生物炭是一种高温热解的多孔碳基材料，因其原料多、比表面积大、含氧官能团丰富等特点，被广泛应用于农业生产利用以及环境中水、土壤污染的修复，例如，利用生物炭的吸附性可以有效的去除水、土壤污染中有机污染物和重金属，其热解生成的持久性自由基能降解有机污染物。但是单纯依靠生物炭依然的效果依然不理想。
从现有研究来看，传统的铁介导的过硫酸盐系统中，催化氧化的稳定性很差，降解效果也不理想。
发明内容
本发明的目的在于解决目前水处理过程中有机污染物降的效果不理想的问题，开发一种高效且稳定的用于土壤修复或水处理方法，应用于实际有机污染废水处理或土壤修复中。
一种基于生物炭降解有机污染物的方法，先将有机污染物的pH值调整为3-9，再加入三价铁盐、过硫酸盐、生物炭，混合物进行搅拌，室温下氧化降解处理0.5-5h。
所述三价铁盐为硫酸铁、氯化铁、硝酸铁或醋酸铁。
所述过硫酸盐为过硫酸钠、过硫酸钾或过硫酸铵。
所述三价铁盐、过硫酸盐、生物炭加入后，混合物中三价铁离子的浓度为0.07-0.27g/L，过硫酸盐浓度为2.1g/L，生物炭的浓度为1-2.5g/L。
所述搅拌速度为100-200r/min。
所述生物炭的制备方法，具体步骤如下：
(1)将生物质用清水洗净、烘干、破碎备用；
(2)将步骤(1)烘干的生物质在充满氮气的马弗炉中加热至350-700℃，保温4h后冷却至室温，过100目筛得到生物炭；
(3)将步骤(2)中的生物炭预处理后得到预处理后的生物炭。
步骤(1)生物质为木屑、秸秆、稻壳或花生壳。
步骤(2)加热升温速率为5℃/min-8℃/min。
步骤(3)预处理是将步骤(2)的生物炭和质量分数为10％的过氧化氢溶液连续搅拌混合反应5小时，然后用超纯水洗净干燥，得到氧化生物炭待用；或将步骤(2)的生物炭和质量分数为5％的硼氢化钾溶液连续搅拌混合反应5小时，然后用超纯水洗净干燥，得到还原生物炭待用；搅拌的转速为100-200r/min。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明中不同处理条件下的生物炭联合三价铁离子活化过硫酸盐可以实现对不同浓度、不同有机污染物进行降解；以2,4-二氯苯酚为例，不同处理条件下得到的生物炭具有不同的氧化还原能力，可以对其实现单电子转移的非自由基途径降解和活性氧的自由基途径降解；当生物炭体系中添加三价铁离子和过硫酸盐后，可以促进降解反应，过硫酸盐作为电子受体可以接受来自不同氧化还原能力生物炭的单电子，从而被激活产生一系列活性氧攻击目标污染物并完成降解，此反应过程中不受水体pH值影响，且展现出较高的稳定性。
2、本发明生物炭制备原料丰富，使用的化学试剂皆为常用的化工产品，且价格低廉。
3、本发明的生物炭制备工艺和操作简单，制备速度快，生产周期短，不需要特殊的化工设备，容易实现工业化，而且，产品无毒，不会产生二次污染，对环境友好。
4、本发明生物炭联合变价离子活化过硫酸盐的反应活性高，可以产生大量的羟基、硫酸根自由基和超氧自由基，对有机污染物的去除效率高。
附图说明
图1为实施例1制备得到的不同处理条件下的生物炭的红外光谱图；
图2为实施例1制备得到的不同处理条件下的生物炭的氧化还原能力电化学分析图；
图3为实施例1制备得到的不同处理条件下的生物炭的XPS图；
图4为实施例2pH值对氧化降解效果的影响图；
图5为实施例3不同剂量生物炭对有机污染去除效果图；
图6为实施例4不同剂量三价铁离子对有机污染去除效果图；
图7为实施例5不同处理条件下的生物炭对有机污染去除效果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。下列实施例使用的试剂均可从商业渠道获得。
实施例1
生物炭的制备方法，包括以下步骤：
(1)将木屑生物质用清水洗净、烘干、破碎备用；
(2)将步骤(1)烘干的木屑生物质在充满氮气的马弗炉中分别加热至350℃、500℃和700℃，加热升温速率为5℃/min～8℃/min，加热4h后冷却至室温，过100目筛得到三种生物炭待用；
(3)将步骤(2)中500℃生物炭和质量分数为10％的过氧化氢溶液混合搅拌反应5小时，搅拌转速为100-200r/min，然后用超纯水洗净干燥，过100目筛得到氧化生物炭待用；
(4)将步骤(2)中500℃生物炭和质量分数为5％的硼氢化钾溶液混合搅拌反应5小时，搅拌转速为100-200r/min，然后用超纯水洗净干燥，过100目筛得到还原生物炭待用。
图1为本实施例制备得到的的不同处理条件下的五种生物炭的红外光谱图，图中，在2090cm-1～3450cm-1处的宽峰为C-H键和O-H键的特征峰，1560cm-1处的特征峰代表碳骨架上C-C键的伸缩振动，1121cm-1处的宽峰为芳香环特征峰。
图2为本实施例制备得到的不同处理条件下的五种生物炭的介导电话学分析图，图中，EDC代表生物炭的得电子能力，EAC代表生物炭失电子能力。
图3为本实施例制备得到的不同处理条件下的五种生物炭的XPS图；从图中可以看出不同生物炭的相对含氧官能团含量发生较大变化，第一个峰为C-C官能团，第二个峰为C-O官能团，第三个为C＝O官能团。
对本实施例制备得到的不同处理条件下的生物炭进行元素分析，结果见下表1。
表1
将实施例1中木屑生物质替换为秸秆、稻壳或花生壳，其结果与实施例1相同。
实施例2
为了研究pH值对反应过程的影响，采用实施例1制备得到的500℃生物炭对有机污染物2,4-二氯苯酚进行氧化降解实验，具体步骤如下：
初始2,4-二氯苯酚浓度为50mg/L(ppm)，分别用稀硫酸和稀氢氧化钠将pH值调节为3、5、6、7和9，共五组，溶液体积均为20mL，加入硫酸铁、过硫酸钠、生物炭后，三价铁离子浓度为0.2g/L，过硫酸钠浓度为2.1g/L，生物炭投加量均为40mg，在298K温度下，转速为115rpm下搅拌处理，氧化降解5小时，在时间30min、1h、2h、3h、4h和5h分别进行检测。
图4为pH值对氧化降解的影响曲线；从图中可以看出pH值对反应过程影响较小。
实施例3
为了研究不用生物炭剂量对反应过程的影响，采用实施例1制备得到的500℃生物炭对有机污染物2,4-二氯苯酚进行氧化降解实验，具体步骤如下：
初始2,4-二氯苯酚浓度为50mg/L(ppm)，pH值为6(未加任何酸碱的原始溶液)，溶液体积为20mL，加入醋酸铁、过硫酸盐钠、生物炭后，三价铁离子浓度为0.2g/L，过硫酸盐钠浓度为2.1g/L，生物炭投加量分别为20mg、30mg、40mg和50mg，共四组，在298K温度下，转速为200r/min下搅拌处理，氧化降解5小时，在时间30min、1h、2h、3h、4h和5h分别进行检测。
图5为不同剂量生物炭对有机污染去除效果曲线；从图中可以看出生物炭的剂量对体系中有机污染物去除有较大的影响，随着生物炭剂量增大，对2,4-二氯苯酚的氧化降解率逐渐增加。
实施例4
为了研究三价铁离子浓度对反应过程的影响，采用实施例1制备得到的500℃生物炭对有机污染物2,4-二氯苯酚进行氧化降解实验，具体步骤如下：
初始2,4-二氯苯酚浓度为50mg/L(ppm)，pH值为6(未加任何酸碱的原始溶液)，溶液体积为20mL，加入硝酸铁、过硫酸钾、生物炭后，三价铁离子浓度为0g/L、0.07g/L、0.13g/L、0.2g/L和0.27g/L，共五组，过硫酸钾浓度为2.1g/L，生物炭投加量为40mg，在298K温度下，转速为115r/min下搅拌处理，氧化降解5小时，在时间30min、1h、2h、3h、4h和5h分别进行检测。
图6为三价铁离子浓度对有机污染去除效果曲线，从图中可以看出三价铁离子的浓度对体系中有机污染物去除有较大的影响，随着三价铁离子浓度增大，对2,4-二氯苯酚的氧化降解率逐渐增加，相比之下，三价铁离子浓度为0.2g/L去除效率性价比最高。
实施例5
为了研究不同处理条件的生物炭对反应过程的影响，采用实施例1制备得到的不同的五种生物炭对有机污染物2,4-二氯苯酚进行氧化降解实验，具体步骤如下：
初始2,4-二氯苯酚浓度为50mg/L(ppm)，pH值为6(未加任何酸碱的原始溶液)，溶液体积为20mL，加入氯化铁、过硫酸铵、生物炭后，三价铁离子浓度为0.2g/L，过硫酸铵浓度为2.1g/L，实施例1制备得到的不同处理条件下的生物炭投加量均为40mg，共五组，在298K温度下，转速为100r/min下搅拌处理，氧化降解5小时。
图7为不同处理条件下得到的生物炭对有机污染去除效果图；从图中可以看出不同处理条件下得到的生物炭对体系中有机污染物去除效果不同，生物炭对2,4-二氯苯酚的氧化降解率分别为73.6％、82.8％、100％、77.6％和92.2％，700℃生物炭处理的效果最好。
Claims (9)
1.一种基于生物炭降解有机污染物的方法，其特征在于，先将有机污染物pH值调整为3-9，再加入三价铁盐、过硫酸盐、生物炭，混合物进行搅拌，室温下氧化降解处理0.5-5h。
2.根据权利要求1所述基于生物炭降解有机污染物的方法，其特征在于，三价铁盐为硫酸铁、氯化铁、硝酸铁或醋酸铁。
3.根据权利要求1所述基于生物炭降解有机污染物的方法，其特征在于，过硫酸盐为过硫酸钠、过硫酸钾或过硫酸铵。
4.根据权利要求1所述基于生物炭降解有机污染物的方法，其特征在于，混合物中三价铁离子的浓度为0.07-0.27g/L，过硫酸盐浓度为2.1g/L，生物炭的浓度为1-2.5g/L。
5.根据权利要求1所述基于生物炭降解有机污染物的方法，其特征在于，搅拌速度为100-200r/min。
6.根据权利要求1所述基于生物炭降解有机污染物的方法，其特征在于，生物炭的制备方法，具体步骤如下：
(1)将生物质用清水洗净、烘干、破碎备用；
(2)将步骤(1)的生物质在氮气环境下加热至350-700℃，保温4h后冷却至室温，过100目筛得到生物炭；
(3)将步骤(2)中的生物炭预处理后得到预处理后的生物炭。
7.根据权利要求6所述基于生物炭降解有机污染物的方法，其特征在于，步骤(1)生物质为木屑、秸秆、稻壳或花生壳。
8.根据权利要求6所述基于生物炭降解有机污染物的方法，其特征在于，步骤(2)加热升温速率为5-8℃/min。
9.根据权利要求6所述基于生物炭降解有机污染物的方法，其特征在于，步骤(3)预处理是将步骤(2)的生物炭和质量分数为10％的过氧化氢溶液连续搅拌混合反应5小时，然后用超纯水洗净干燥，得到氧化生物炭待用；或将步骤(2)的生物炭和质量分数为5％的硼氢化钾溶液连续搅拌混合反应5小时，然后用超纯水洗净干燥，得到还原生物炭待用；搅拌转速为100-200r/min。
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