CN112573611A

CN112573611A - 一种中药渣生物炭铁基修复水体重金属污染的方法和应用

Info

Publication number: CN112573611A
Application number: CN202011225819.XA
Authority: CN
Inventors: 刁增辉; 钱伟
Original assignee: Zhongkai University of Agriculture and Engineering
Current assignee: Zhongkai University of Agriculture and Engineering
Priority date: 2020-11-05
Filing date: 2020-11-05
Publication date: 2021-03-30

Abstract

一种新型中药渣生物炭铁基修复水体重金属污染的方法和应用，本发明通过将药厂的固体废弃物中药渣限氧高温热解产生药渣生物炭，以氯化铁为铁改性剂和铁离子源，以柚子皮提取液为还原剂，绿色制备出一种新型的中药渣生物炭铁基材料，并用于水体中重金属铬和镉的单一和同步高效去除，铬和镉的单一去除率分别为96.56%和93.31%，同步去除率分别为70.12%和64.94%。而且，这种新型生物炭铁基材料还能使高毒性的六价铬实现还原为低毒性的三价铬，同时，镉也被高效地吸附固定在生物炭铁基材料表面。

Description

一种中药渣生物炭铁基修复水体重金属污染的方法和应用

技术领域

本发明涉及固体废弃物资源化及废水处理领域，具体是一种中药渣生物炭铁基修复水体重金属污染的方法和应用。

背景技术

随着中药产业的快速发展，制剂后的中药渣也急剧增加，其所带来的环境问题也越来越受到关注。目前，中药渣的处置途径一般为堆肥和制作饲料，而对于一些含有毒性成分的药渣的处置却可以在限氧条件下热解为生物质炭，转化为环境污染修复材料—吸附剂，被广泛应用于水体和土壤污染物的修复领域。然而，原始生物炭的理化性质存在较大的局限性，需要通过一些改性如金属盐改性、氧化改性和酸碱改性来提升其在环境污染修复应用的性能。铁是环境友好型元素，因此，商品化的氯化铁和硫酸铁被广泛应用于生物炭的改性，改性后生物炭表面会负载铁氧化物和羟基氧化物，有助于增强其与重金属络合能力，从而提高生物炭的污染去除性能。但是，铁改性后的生物炭并没有还原性，不能将高毒性高价态的重金属还原为低毒性低价态的重金属形态，在环境修复过程中仍然受到较大的局限性。众所周知，纳米零价铁是目前被认为是最具前景的环境修复材料，具有非常强的还原性，能去除绝大多数污染物质。但是在制备过程中，要用到含有剧毒的硼氢化钠作为还原剂，因此，迫切需要环境友好型的还原剂来替代硼氢化钠来制备纳米零价铁。近年来，有研究报道了一些植物体里的酚类物质具有较强的还原性，能被用来替代硼氢化钠制备纳米零价铁，被认为是一种纳米零价铁的绿色制备方法，从而克服了硼氢化钠所引起的二次环境污染问题，极大推进了纳米零价铁的规模化应用。

然而，到目前为止，一种绿色制备的新型中药渣生物炭铁基修复水体重金属污染的方法和应用的专利技术还未见报道。

发明内容

本发明提供一种中药渣生物炭铁基修复水体重金属污染的方法和应用，可以有效解决上述背景技术中提出的问题。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：一种中药渣生物炭铁基修复水体重金属污染的方法和应用，其方法包括以下步骤：

S1：将中药渣置于去离子水中，洗净表面杂质，烘干至恒重，磨碎后得到脱水中药渣；

S2：将脱水中药渣在氮气保护下，在管式炉以5 ℃/min的升温到500 ℃，并保持热解120 min，将得到炭化中药渣磨碎过100目筛，获得中药渣生物炭；

S3：将100 ml铁物质的量浓度为0.2 mM的溶液加入到三口烧瓶中，再把30 g磨碎过100目筛的中药渣生物炭加到上述溶液，混合搅拌1440 min，得到混合溶液；

S4：将新制备的一定浓度的柚子皮提取液加入到步骤S3中的混合溶液，在氮气保护下，充分反应120 min；反应结束后在氮气保护下抽滤，然后在70 ℃下真空干燥90 min，磨碎后过100目筛，获得生物炭铁基；

S5：在烧杯中，向含有重金属铬和/或镉的水体中，投加生物炭铁基材料，反应时间60 min，单一或同步去除重金属铬和镉。

作为本发明的进一步优选方案，步骤S3中以氯化铁作为铁源。

作为本发明的进一步优选方案，步骤S5中污染水体中铬和镉的质量浓度都为0-80mg/L；投放生物炭铁基材料剂量为0-3.0 g/L。

作为本发明的进一步优选方案，在投加生物炭铁基材料之前，先必须对其进行研磨、过筛，确保其颗粒在小于150 μm范围内。

作为本发明的进一步优选方案，在投加生物炭铁基材料之前，先调节水体的pH值为2-10。

作为本发明的进一步优选方案，向含铬和镉污染水体中投加生物炭材料剂量为1.5 g/L。

作为本发明的进一步优选方案，污染水体中铬的质量浓度为40 mg/L；镉的质量浓度为20 mg/L。

作为本发明的进一步优选方案，在混合溶液中，污染水体中铬的质量浓度为40mg/L；镉的质量浓度为5-80 mg/L。

与现有技术相比，本发明提供了一种中药渣生物炭铁基修复水体重金属污染的方法和应用，具备以下有益效果：

1. 成本低，原料廉价易得，无二次环境污染。本发明采用中药渣作为生物炭的原料，采用农业废弃物柚子皮提取液作为还原剂替代有毒有害的硼氢化钠，实现了中药渣和农业废弃物柚子皮的处置与资源化利用，实现“以废治废”的环境理念。

2. 反应条件温和，操作简单。本发明的生物炭铁基材料的制备和重金属的去除条件简单，在绝大多数场景下都能满足。

3. 适用目标物范围广。本发明除了适用于含有铬和镉的污染水体，还适用于其他含重金属和有机物污染的水体和土壤。

附图说明

图1为本发明绿色方法制得的新型中药渣生物炭铁基材料的扫描电镜图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在以下实施例中，在测定水中的铬和镉浓度之前，先采用过滤法分离生物炭颗粒，然后采用原子吸收分光光度法测定。

实施例1

将中药渣用去离子水洗净，烘干至恒重，磨碎，然后氮气保护下，在管式炉以5℃/min的升温到500 ℃，保持热解120 min，，磨碎过100目筛，获得生物炭。把氯化铁物质的量浓度为0.2 mM的100 mL溶液加入到三口烧瓶中，再把30 g过100目筛后的中药渣生物炭加到上述溶液，混合搅拌1440 min。将新制备的一定浓度的柚子皮提取液加入到上述溶液，在氮气保护下，充分反应120 min。随后在氮气保护下抽滤，在70℃下于真空干燥90 min，磨碎过100目筛，获得新型生物炭铁基材料。

实施例2

在本实施例中，对比不同生物炭对铬和镉的单一去除效果，步骤如下：向含有铬或镉污染水体中加入生物炭和生物炭铁基材料，进行水体中铬和镉的单一去除，采用200 mL烧杯为反应器，处理对象是浓度为100 mL 铬浓度为40 mg/L或镉浓度为20 mg/L的水体，水体pH 为6。往烧杯加入1.5 g/L不同的生物炭材料，并将烧杯置于搅拌器上，转速为150rpm，反应时间为60 min。实施例2结果如表1所示。由表可知，生物炭对铬和镉的去除率分别为29.24 %和18.56 %，而生物炭铁基材料对其两者的去除率分别为96.56 %和93.31 %，结果表明，这种新型生物炭铁基材料能高效去除水体中的铬和镉，而且六价铬能被还原为三价铬，毒性大幅降低，另外，镉离子被吸附沉淀在生物炭铁基表面，实现了镉离子的有效固定。

实施例3

与实施例2不同之处在于，调节pH范围至2、4、6、8、10，其它条件与实施例2相同，测定反应前后水体中铬和镉浓度的变化。实施例3结果如表2所示。由表可知，在酸性条件下的铬去除率优于碱性的，其中在pH=4，6时，铬的去除率分别达到了98.41 %和96.56 %。另外，镉去除率在弱酸性和碱性条件下呈现较高的水平，在pH=6时，铬的去除率达到了最大值93.45 %。铬去除率最佳的pH为4，镉去除率最佳的pH为6。

实施例4

与实施例3不同之处在于，调节生物炭铁基材料剂量为0.5-3.0 g/L，其它条件与实施例3相同，测定水体中铬和镉浓度的变化。实施例4结果如表3所示。由表可知，铬和镉的去除率都随着生物炭铁基材料剂量的增加而升高，当剂量为1.5 g/L时，铬和镉的去除率分别达到了96.56 % 和93.31 %。但是进一步增加生物炭铁基材料剂量时，铬和镉的去除率未有明显的提升，两者的最佳剂量均为1.5 g/L。

实施例5

与实施例4不同之处在于，调节铬和镉浓度范围为5-80 mg/L，其它条件与实施例4相同，测定水体中铬和镉浓度的变化。实施例5结果如表4所示。由表可知，铬和镉的去除率都随着其浓度的增大而下降，铬在小于或等于40 mg/L时，铬去除率均都达到96 %以上；镉在小于或等于20 mg/L时，镉去除率均都达到93 %以上。

实施例6

与实施例2不同之处在于，污染水体为铬和镉的混合溶液，固定铬浓度为40 mg/L，调节镉浓度范围为0-80 mg/L。其它条件与实施例2相同，每次测定反应前后水体中铬和镉浓度的变化。实施例6结果如表5所示。由表可知，在同步去除时，铬去除率随着添加镉浓度的增大而下降。无镉存在下，铬去除率为96.56 %，但是，在添加20 mg/L镉浓度下，铬去除率为70.12 %，而镉本身的去除率还能达到64.94 %，实现了铬和镉的较好的同步去除。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种中药渣生物炭铁基修复水体重金属污染的方法和应用，其方法包括以下步骤：

S4：将新制备的一定浓度的柚子皮提取液加入到步骤S3中的混合溶液，在氮气保护下，充分反应120 min；反应结束后在氮气保护下抽滤，然后在70℃下真空干燥90 min，磨碎后过100目筛，获得生物炭铁基；

S5：在烧杯中，向含有重金属铬和/或镉的水体中，投加生物炭铁基材料，反应时间60min，单一或同步去除重金属铬和镉。

2.根据权利要求1所述的一种中药渣生物炭铁基修复水体重金属污染的方法和应用，其方法在于，步骤S3中以氯化铁作为铁源。

3.根据权利要求1所述的一种中药渣生物炭铁基修复水体重金属污染的方法和应用，其方法在于，步骤S5中污染水体中铬和镉的质量浓度都为0-80 mg/L；投放生物炭铁基材料剂量为0-3.0 g/L。

4.根据权利要求1或3所述的一种中药渣生物炭铁基修复水体重金属污染的方法和应用，其方法在于，在投加生物炭铁基材料之前，先必须对其进行研磨、过筛，确保其颗粒在小于150 μm范围内。

5.根据权利要求1或3所述的一种中药渣生物炭铁基修复水体重金属污染的方法和应用，其方法在于，在投加生物炭铁基材料之前，先调节水体的pH值为2-10。

6.根据权利要求1所述的一种中药渣生物炭铁基修复水体重金属污染的方法和应用，其方法在于，向含铬和镉污染水体中投加生物炭材料剂量为1.5 g/L。

7.根据权利要求1所述的一种中药渣生物炭铁基修复水体重金属污染的方法和应用，其方法在于，污染水体中铬的质量浓度为40 mg/L；镉的质量浓度为20 mg/L。

8.根据权利要求1所述的一种中药渣生物炭铁基修复水体重金属污染的方法和应用，其方法在于，在混合溶液中，污染水体中铬的质量浓度为40 mg/L；镉的质量浓度为5-80mg/L。