CN112246228A - 一种去除土壤中重金属污染的改性石墨烯材料制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及土壤修复技术领域，具体为一种去除土壤中重金属污染的改性石墨烯材料制备方法，特别适用于吸附去除土壤中重金属Cd、Cu、Pb、Zn、Hg、As复合污染，包括以下有效步骤：首先将生物质原材料在完全或部分缺氧的情况下经热解碳化得到生物碳；将重金属耐性菌至于培养基中进行培养，待菌种扩繁；将b步骤制得的生物碳加入到培养基中，并混合均匀，进行发酵培养，制得重金属耐性菌生物碳发酵液；通过氧化石墨烯以及生物碳的吸附作用，有效的将土壤中的重金属进行吸附，利用重金属耐性菌的生物分解配合纳米二氧化钛光催化分解有效的将吸附的重金属进行分解，进而避免产生植物富集的二次污染问题。

Description

一种去除土壤中重金属污染的改性石墨烯材料制备方法
技术领域
本发明涉及土壤修复技术领域，具体为一种去除土壤中重金属污染的改性石墨烯材料制备方法，特别适用于吸附去除土壤中重金属Cd、Cu、Pb、Zn、Hg、As复合污染。
背景技术
土壤是指陆地表面具有肥力、能够生长植物的疏松表层，是人类生存与发展的重要资源，同时也是环境污染物的容纳介质。随着国民经济的迅速发展，土壤污染尤其是重金属污染越来越突出。重金属是典型的土壤污染物，具有隐蔽性、难降解、移动性差和易被富集等特点，可影响土壤微生物体系、生态物种和微生物过程，进而影响生态系统的结构与功能，并通过食物链在人体内蓄积构成潜在危害。
重金属污染土壤的修复是一个漫长过程，同时也是国际上研究的难点和热点领域之一，国内外专家曾采用工程措施修复法、化学冲洗以及使用改良剂等方法来解决土壤重金属污染问题，传统的物化修复土壤重金属污染的方法异常困难，其所需设备复杂，工程量大，投资高，而且的破坏土壤理化性质或二层结构，造成二次污染。近些年，人们对环境污染问题非常重视，传统破坏土壤生态环境，造成二次污染的修复方法不能满足人们对环境的要求。为此，迫切需要一种无二次污染且能够达到修复土壤的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种去除土壤中重金属污染的改性石墨烯材料制备方法，设计合理、加工方便，能够有效避免二次污染的一种吸附去除土壤中重金属Cd、Cu、Pb、Zn、Hg、As复合污染。
为解决上述技术问题，本发明一种去除土壤中重金属污染的改性石墨烯材料制备方法包括有以下步骤：
a、首先将生物质原材料在完全或部分缺氧的情况下经热解碳化得到生物碳；
b、将生物碳粉碎至粒径小于1mm，备用；
c、将重金属耐性菌至于培养基中进行培养，待菌种扩繁；将b步骤制得的生物碳加入到培养基中，并混合均匀，进行发酵培养，制得重金属耐性菌生物碳发酵液；
d、将壳聚糖、海藻酸钠按照重量比2:1的比例加入到重金属耐性菌生物碳发酵液，搅拌均匀后，经注射装置挤压到氯化钙溶液中进行交联反应，交联反应时间为10~48h，得到的重金属耐性菌生物碳凝胶颗粒；
e、将纳米二氧化钛以及氧化石墨烯溶液按照重量比2:1的比例至于容器中，搅拌均匀，得到纳米二氧化钛以及氧化石墨烯的混合物；
f、将e步骤制得重金属耐性菌生物碳凝胶颗粒加入到纳米二氧化钛以及氧化石墨烯的混合物中振动搅拌均匀，得到吸附去除土壤中重金属Cd、Cu、Pb、Zn、Hg、As复合污染的新型改性石墨烯材料成品。
优选的，所述生物质原材料为农作物秸秆。
优选的，所述重金属耐性菌为铜绿假单胞菌和纤维素降解菌。
本发明的有益效果是：通过氧化石墨烯以及生物碳的吸附作用，有效的将土壤中的重金属进行吸附，利用重金属耐性菌的生物分解配合纳米二氧化钛光催化分解有效的将吸附的重金属进行分解，进而避免产生植物富集的二次污染问题，同时，本发明所提供的修复材料安全可靠、修复效果显著，适合大规模推广使用。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
本发明一种去除土壤中重金属污染的改性石墨烯材料制备方法包括有以下步骤：
a、首先将生物质原材料在完全或部分缺氧的情况下经热解碳化得到生物碳；
b、将生物碳粉碎至粒径小于1mm，备用；
c、将重金属耐性菌至于培养基中进行培养，待菌种扩繁；将b步骤制得的生物碳加入到培养基中，并混合均匀，进行发酵培养，制得重金属耐性菌生物碳发酵液；
d、将壳聚糖、海藻酸钠按照重量比2:1的比例加入到重金属耐性菌生物碳发酵液，搅拌均匀后，经注射装置挤压到氯化钙溶液中进行交联反应，交联反应时间为10~48h，得到的重金属耐性菌生物碳凝胶颗粒；
e、将纳米二氧化钛以及氧化石墨烯溶液按照重量比2:1的比例至于容器中，搅拌均匀，得到纳米二氧化钛以及氧化石墨烯的混合物；
f、将e步骤制得重金属耐性菌生物碳凝胶颗粒加入到纳米二氧化钛以及氧化石墨烯的混合物中振动搅拌均匀，得到吸附去除土壤中重金属Cd、Cu、Pb、Zn、Hg、As复合污染的新型改性石墨烯材料成品。
优选的，所述生物质原材料为农作物秸秆。
优选的，所述重金属耐性菌为铜绿假单胞菌和纤维素降解菌。
首先将生物质原材料在完全或部分缺氧的情况下经热解碳化得到生物碳，在本实施例中，生物质原材料采用农作物秸秆，我国是农业大国，据不完全统计，我国每年产生的农作物秸秆可以达到8亿吨，除少数用于饲喂牲畜、还田和造纸等外，其他大部分被直接焚烧掉，将农作物秸秆制备成生物碳，利用生物碳的吸附能力，可以做到吸附总金属的目的，同时，将生物碳施入农田土壤，不仅可以有效改进土壤结构和理化性质，还能够增强土壤肥力，从而增加农作物产量，在一定程度上促进农业的可持续发展。
在本实施例中，生物碳除了作为重金属吸附材料以外，其也作为微生物菌类的载体，为了更好的将其和微生物配合，在本实施例中，将生物碳粉碎至粒径小于1mm，备用。在生物碳的多孔结构，可以为菌类的生长提供相应的环境空间。
要想做到无二次污染，生物除重金属是最为环保的方式，为此，在本实施例中，选用铜绿假单胞菌和纤维素降解菌。铜绿假单胞菌具有优秀的产铁载体能力，其可以增加植物抗高重金属浓度的能力，提高植物的解毒作用，同时避免生长素被氧化而促进植物生长。另一方面，铁载体作为螯合剂螯合铁离子之前，还可以与Cd、Cu、Pb、Zn、Hg、As等重金属形成稳定复合物，提高这些物质的溶解度，以增加植物的吸收，达到修复土壤的目的。
而纤维素降解菌则可以对重金属富集植物体进行降解，回收重金属，配合铜绿假单胞菌的使用，有效的处理富集在植物内的重金属，避免其经食物链传递给人类。
将重金属耐性菌至于培养基中进行培养，待菌种扩繁。然后，将生物碳加入到培养基中，并混合均匀，进行发酵培养，制得重金属耐性菌生物碳发酵液，生物碳的加入，主要是为重金属耐性菌提供载体。
考虑到铜绿假单胞菌生活需要一定的潮湿环境，为了将重金属耐性菌固化，为此，将壳聚糖、海藻酸钠按照重量比2:1的比例加入到重金属耐性菌生物碳发酵液，在本实施例中，将其按照2:1的比例的加入，主要是为了能够提供重金属耐性菌生物所需要的营养。
搅拌均匀后，经注射装置挤压到氯化钙溶液中进行交联反应，交联反应时间为10~48h，超过48后，反应基本上不再进行，此时停止反应即可，得到的重金属耐性菌生物碳凝胶颗粒，壳聚糖主要是为重金属耐性菌提供营养，同时，壳聚糖也能够为植物的生长提供一定的营养，而海藻酸钠主要利用其粘性，将重金属耐性菌生物固化，从而得到重金属耐性菌生物碳凝胶颗粒。
为了提高生物碳的吸附能力以及重金属的处理能力，在本实施例中，将纳米二氧化钛以及氧化石墨烯溶液按照重量比2:1的比例至于容器中，搅拌均匀，得到纳米二氧化钛以及氧化石墨烯的混合物，石墨烯具有巨大的比表面积及独特的化学结构，为此，石墨烯对污染物具有较强的吸附能力，为此，加入在生物碳内添加氧化石墨烯，能够起到更好的吸附效果，同时，氧化石墨烯具有一定的粘性，能够更好的与重金属耐性菌生物碳凝胶颗粒结合。
考虑到石墨烯较强的吸附能力，虽然方便重金属耐性菌对重金属进行处理，但也带来了重金属的富集问题，为此，为了达到快速处理重金属污染的目的，增加了纳米二氧化钛，纳米二氧化钛在吸收光子后，价带上的电子被激活，跃过带隙，进入导带，同时，在价带上产生空穴。光剩电子和空穴可以与吸附在颗粒表面的供体发生氧化还原反应，可直接还原热力学上可行的金属离子，可对土壤中的Cd、Cu、Pb、Zn、Hg、As等重金属原位修复。
这样，由于在使用过程中，所需要的纳米二氧化钛较大，为此，其比例选用较大，重金属耐性菌生物碳凝胶颗粒加入到纳米二氧化钛以及氧化石墨烯的混合物中振动搅拌均匀，得到吸附去除土壤中重金属Cd、Cu、Pb、Zn、Hg、As复合污染的新型改性石墨烯材料成品。
这样，利用生物碳和氧化石墨烯的吸附作用，实现对重金属的富集，利用重金属耐性菌以及纳米二氧化钛的光催化作用，有效的对富集的重金属进行处理，进而避免了因重金属富集导致的二次污染的问题。
在某河流两侧污染较严重的区域，以4个采样点采集20个土壤样本，土壤的深度分别为(0-10cm；20-30cm；40-50cm；60-70cm以及80-90cm)，将同样深度土壤混合均匀后，保留1~2Kg作为待测样品。
参考《土壤环境质量标准》和国家标准中的分析方法，分析4个采样点的土壤污染情况，并根据内梅罗综合因子污染指数法对土壤重金属进行评价，评价得出四处土壤已受严重污染。其中，上层土壤比下层土壤遭受污染严重，在60~90cm的土层中，仅受Cd轻微污染，在0~30cm的土层中，均被Cd污染，Zn也有较高污染，Cu、Pb、Hg、As的污染较轻。
将本实施例提供的成品与土壤混合，在其上种植小麦，待小麦成熟后，对小麦以及土壤进行检测，未发现小麦重金属富集情况，同时，土壤的重污染评级降为轻污染评级。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种去除土壤中重金属污染的改性石墨烯材料制备方法，其特征在于：包括有以下步骤：
a、首先将生物质原材料在完全或部分缺氧的情况下经热解碳化得到生物碳；
b、将生物碳粉碎至粒径小于1mm，备用；
c、将重金属耐性菌至于培养基中进行培养，待菌种扩繁；
d、将b步骤制得的生物碳加入到培养基中，并混合均匀，进行发酵培养，制得重金属耐性菌生物碳发酵液；
e、将壳聚糖、海藻酸钠按照重量比2:1的比例加入到重金属耐性菌生物碳发酵液，搅拌均匀后，经注射装置挤压到氯化钙溶液中进行交联反应，交联反应时间为10~48h，得到的重金属耐性菌生物碳凝胶颗粒；
f、将纳米二氧化钛以及氧化石墨烯溶液按照重量比2:1的比例至于容器中，搅拌均匀，得到纳米二氧化钛以及氧化石墨烯的混合物；
g、将e步骤制得重金属耐性菌生物碳凝胶颗粒加入到纳米二氧化钛以及氧化石墨烯的混合物中振动搅拌均匀，得到吸附去除土壤中重金属Cd、Cu、Pb、Zn、Hg、As复合污染的新型改性石墨烯材料成品。
2.根据权利要求1所述的一种去除土壤中重金属污染的改性石墨烯材料制备方法，其特征在于：所述生物质原材料为农作物秸秆。
3.根据权利要求2所述的一种去除土壤中重金属污染的改性石墨烯材料制备方法，其特征在于：所述重金属耐性菌为铜绿假单胞菌和纤维素降解菌。
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