CN115624955A - 一种生物炭土壤重金属修复剂及其制备方法 - Google Patents

一种生物炭土壤重金属修复剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物炭土壤重金属修复剂及其制备方法，其中包括植物秸秆、污泥生物炭和填料，制备时选择植物秸秆、脱水污泥分别煅烧制得生物炭，再利用苯乙烯‑丁二烯‑苯乙烯共聚物等组分复合，以保证生物炭煅烧效果的同时提高其比表面积。本申请公开了一种生物炭土壤重金属修复剂及其制备方法，工艺设计合理，组分配比适宜，制备得到的重金属修复剂能够对重金属离子进行吸附，可应用于铅镉复合污染土壤的修复，同时材料性能稳定，长期有效，原料采用植物秸秆和污泥，变废为宝，天然环保成本低，生产周期较短，易于大规模生产，能够有效修复重金属污染土壤中铅镉复合污染，具有较高的实用性。

Description

一种生物炭土壤重金属修复剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及重金属修复技术领域，具体为一种生物炭土壤重金属修复剂及其制备方法。
背景技术
土壤修复是指利用物理、化学和生物的方法转移、吸收、降解和转化土壤中的污染物，使其浓度降低到可接受水平，或将有毒有害的污染物转化为无害的物质。从根本上说，污染土壤修复的技术原理可包括为：（1）改变污染物在土壤中的存在形态或同土壤的结合方式，降低其在环境中的可迁移性与生物可利用性；（2）降低土壤中有害物质的浓度。
生物炭是指生物质材料在缺氧或无氧环境中，热解炭化产生的一类芳香化固态物质，比表面积较大，含有丰富的官能团（羧基、羰基、内脂基，羟基），具有较强的吸附能力、氧化能力和阳离子交换能力，目前已经应用于土壤中包括铜、锌、铅、镉、汞、砷等重金属污染物的钝化修复中，在土壤重金属修复中具有很大的应用潜力。
但现有市面上的土壤修复剂多用植物秸秆、脱水污泥混合作为生物炭的来源，在实际制备过程中我们发现，将植物秸秆与脱水污泥简单混合后煅烧，脱水污泥的存在会影响生物炭的煅烧效果，煅烧不充分，煅烧效果差，影响实际大规模应用。
因此针对该情况，本申请公开了一种生物炭土壤重金属修复剂及其制备方法，以解决该问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物炭土壤重金属修复剂及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种生物炭土壤重金属修复剂，所述金属修复剂各组分原料包括：以重量计，植物秸秆10-15份、污泥生物炭20-25份、填料8-12份。
较优化的方案，所述填料包括氧化锌、三氧化二铁，所述氧化锌、三氧化二铁的质量比为2：1。
较优化的方案，所述植物秸秆包括小麦秸秆和玉米秸秆，所述小麦秸秆和玉米秸秆的质量比为1：1。
较优化的方案，一种生物炭土壤重金属修复剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）准备物料；
（2）取植物秸秆，去离子水清洗，真空干燥，粉碎过80目筛，再置于双氧水溶液中，40℃下恒温浸泡，浸泡后干燥，得到预处理秸秆；
（3）取预处理秸秆、填料和柠檬酸，混合搅拌，再置于球磨机中球磨，，球磨后转移至管式炉中，真空条件下通入乙炔和氢气，以8-10℃/min升温速率升温至400-500℃，反应20-30min，得到预处理生物炭；
（4）取苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物，置于丁酮溶液中，混合搅拌，加入预处理生物炭和污泥生物炭，超声分散，再置于乙醇蒸汽气氛中，90-100℃下处理10-15min，去离子水中清洗，干燥后置于氮气环境中，微波条件下炭化8-10min；
（5）取步骤（4）处理后的预处理生物炭，置于氢氧化钠溶液中浸泡，去离子水清洗，真空干燥，得到成品。
较优化的方案，包括以下步骤：
（1）准备物料；
（2）取植物秸秆，去离子水清洗20-30min，80-90℃下真空干燥8-10h，粉碎过80目筛，再置于双氧水溶液中，40℃下恒温浸泡10-12h，浸泡后置于70-80℃下干燥1-2h，得到预处理秸秆；
（3）取预处理秸秆、填料和柠檬酸，混合搅拌10-15min，再置于球磨机中球磨6-7h，球磨机转速为250-300r/min，球磨后转移至管式炉中，真空条件下通入乙炔和氢气，以8-10℃/min升温速率升温至400-500℃，反应20-30min，得到预处理生物炭；
（4）取苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物，置于丁酮溶液中，混合搅拌20-30min，加入预处理生物炭和污泥生物炭，超声分散20-30min，再置于乙醇蒸汽气氛中，90-100℃下处理10-15min，去离子水中清洗3-6h，干燥后置于氮气环境中，微波条件下炭化8-10min；
（5）取步骤（4）处理后的预处理生物炭，置于氢氧化钠溶液中浸泡，去离子水清洗20-30min，70-80℃下真空干燥，得到成品。
较优化的方案，所述污泥生物炭的制备方法为：取脱水污泥和氧化锌溶液，混合搅拌5-6h，搅拌转速为100-120rpm，70-75℃下干燥2-3h，再转移至100-105℃下烘干，得到污泥生物炭。
较优化的方案，步骤（4）中，微波功率为200-500W。
较优化的方案，步骤（5）中，氢氧化钠溶液中浸泡时温度为60-70℃，浸泡时间为0.5-1h。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
本发明公开了一种生物炭土壤重金属修复剂，其中包括植物秸秆、污泥生物炭和填料，在制备时，常规金属修复剂以生物炭为主体，一般选用植物秸秆作为生物炭原料，为降低成本计，现有也多用植物秸秆、脱水污泥混合作为生物炭的来源，但在实际制备过程中我们发现，将植物秸秆与脱水污泥简单混合后煅烧，脱水污泥的存在会影响生物炭的煅烧效果，煅烧不充分，若脱水污泥杂质较多，还会造成生物炭孔洞堵塞，煅烧效果差；因此针对该问题，本申请制备时选择植物秸秆、脱水污泥分别煅烧制得生物炭，再利用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物等组分复合，以保证生物炭煅烧效果的同时提高其比表面积。
本申请制备时，首先将植物秸秆浸渍在双氧水中预处理，双氧水浸渍可有效提高预处理生物炭的比表面积和表面酸性官能团，能够在后续使用时有效提高复合生物炭对重金属离子的吸附性能；在与双氧水浸渍后，本申请将预处理秸秆和填料、柠檬酸混合，柠檬酸的添加是为了在后续微波热解过程中，在后续热解过程中能够柠檬酸受热时会产生膨胀、空间阻隔效，从而有效抑制了生物炭、填料等粒子的粒径，降低热解过程中的孔洞堵塞情况，同时，本申请引入了填料，填料选择为氧化锌、三氧化二铁，热解时在乙炔气氛下，乙炔热解会在氧化锌表面包覆一层碳层，柠檬酸的引入也避免表面生成的碳层厚度过厚，在碳、氢气作用下，三氧化二铁会发生还原并生成四氧化三铁，使得预处理生物炭表面带有磁性，便于使用时进行后续回收。
本申请中填料的引入不仅可以作为后续微波吸收剂、磁性回收的前处理，同时填料的引入还可以对生物质的热解起到催化作用，促进生物质的微观孔隙结构的发育，提高预处理生物炭的比表面积，从而提高吸附性能。
接着，本申请将分别制备的污泥生物炭、预处理生物炭置于苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物中，丁酮溶剂中浸渍，丁酮易挥发，可在乙醇气氛下挥发，后续微波热解过程中，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物被去除，并形成复合生物炭，同时，由于预处理生物炭制备时，氧化锌表面包覆碳层并形成氧化锌-碳核壳结构，该结构具有优异的微波吸收能力，因此该微波热解不仅不需要添加另外的微波吸收剂，而且热解效果更加优异，制备得到的复合生物炭具有较优异的比表面积和优异的重金属离子吸附能力。
本申请公开了一种生物炭土壤重金属修复剂及其制备方法，工艺设计合理，组分配比适宜，制备得到的重金属修复剂能够对重金属离子进行吸附，可应用于铅镉复合污染土壤的修复，同时材料性能稳定，长期有效，原料采用植物秸秆和污泥，变废为宝，天然环保成本低，生产周期较短，易于大规模生产，能够有效修复重金属污染土壤中铅镉复合污染，具有较高的实用性。
具体实施方式
下面将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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种生物炭土壤重金属修复剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）准备物料；
（2）取植物秸秆，去离子水清洗20min，80℃下真空干燥8h，粉碎过80目筛，再置于双氧水溶液中，40℃下恒温浸泡10h，浸泡后置于70℃下干燥1h，得到预处理秸秆；
（3）取预处理秸秆、填料和柠檬酸，混合搅拌10min，再置于球磨机中球磨6h，球磨机转速为250r/min，球磨后转移至管式炉中，真空条件下通入乙炔和氢气，以8℃/min升温速率升温至400℃，反应20min，得到预处理生物炭；
（4）取脱水污泥和氧化锌溶液，混合搅拌5h，搅拌转速为100rpm，70℃下干燥2h，再转移至100℃下烘干，得到污泥生物炭。
取苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物，置于丁酮溶液中，混合搅拌20min，加入预处理生物炭和污泥生物炭，超声分散20min，再置于乙醇蒸汽气氛中，90℃下处理10min，去离子水中清洗3h，干燥后置于氮气环境中，微波条件下炭化8min，微波功率为200W；
（5）取步骤（4）处理后的预处理生物炭，置于氢氧化钠溶液中浸泡，浸泡温度为60℃，浸泡时间为0.5h，去离子水清洗20min，70℃下真空干燥，得到成品。
本实施例中，所述金属修复剂各组分原料包括：以重量计，植物秸秆10份、污泥生物炭20份、填料8份；填料包括氧化锌、三氧化二铁，氧化锌、三氧化二铁的质量比为2：1；植物秸秆包括小麦秸秆和玉米秸秆，所述小麦秸秆和玉米秸秆的质量比为1：1。
实施例2：
一种生物炭土壤重金属修复剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）准备物料；
（2）取植物秸秆，去离子水清洗25min，85℃下真空干燥8-10h，粉碎过80目筛，再置于双氧水溶液中，40℃下恒温浸泡11h，浸泡后置于75℃下干燥1.5h，得到预处理秸秆；
（3）取预处理秸秆、填料和柠檬酸，混合搅拌13min，再置于球磨机中球磨6.5h，球磨机转速为280r/min，球磨后转移至管式炉中，真空条件下通入乙炔和氢气，以9℃/min升温速率升温至450℃，反应25min，得到预处理生物炭；
（4）取脱水污泥和氧化锌溶液，混合搅拌5.5h，搅拌转速为110rpm，73℃下干燥2.5h，再转移至103℃下烘干，得到污泥生物炭。
取苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物，置于丁酮溶液中，混合搅拌25min，加入预处理生物炭和污泥生物炭，超声分散25min，再置于乙醇蒸汽气氛中，95℃下处理13min，去离子水中清洗5h，干燥后置于氮气环境中，微波条件下炭化9min，微波功率为350W；
（5）取步骤（4）处理后的预处理生物炭，置于氢氧化钠溶液中浸泡，浸泡温度为65℃，浸泡时间为0.8h，去离子水清洗25min，75℃下真空干燥，得到成品。
本实施例中，所述金属修复剂各组分原料包括：以重量计，植物秸秆12份、污泥生物炭23份、填料10份；填料包括氧化锌、三氧化二铁，氧化锌、三氧化二铁的质量比为2：1；植物秸秆包括小麦秸秆和玉米秸秆，所述小麦秸秆和玉米秸秆的质量比为1：1。
实施例3：
一种生物炭土壤重金属修复剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）准备物料；
（2）取植物秸秆，去离子水清洗30min，90℃下真空干燥10h，粉碎过80目筛，再置于双氧水溶液中，40℃下恒温浸泡12h，浸泡后置于80℃下干燥2h，得到预处理秸秆；
（3）取预处理秸秆、填料和柠檬酸，混合搅拌15min，再置于球磨机中球磨7h，球磨机转速为300r/min，球磨后转移至管式炉中，真空条件下通入乙炔和氢气，以10℃/min升温速率升温至500℃，反应30min，得到预处理生物炭；
（4）取脱水污泥和氧化锌溶液，混合搅拌6h，搅拌转速为120rpm，75℃下干燥3h，再转移至105℃下烘干，得到污泥生物炭。
取苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物，置于丁酮溶液中，混合搅拌30min，加入预处理生物炭和污泥生物炭，超声分散30min，再置于乙醇蒸汽气氛中，100℃下处理15min，去离子水中清洗6h，干燥后置于氮气环境中，微波条件下炭化10min，微波功率为500W；
（5）取步骤（4）处理后的预处理生物炭，置于氢氧化钠溶液中浸泡，浸泡温度为70℃，浸泡时间为1h，去离子水清洗30min，80℃下真空干燥，得到成品。
本实施例中，所述金属修复剂各组分原料包括：以重量计，植物秸秆15份、污泥生物炭25份、填料12份；填料包括氧化锌、三氧化二铁，氧化锌、三氧化二铁的质量比为2：1；植物秸秆包括小麦秸秆和玉米秸秆，所述小麦秸秆和玉米秸秆的质量比为1：1。
对比例1：
一种生物炭土壤重金属修复剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）准备物料；
（2）取植物秸秆，去离子水清洗25min，85℃下真空干燥8-10h，粉碎过80目筛，再置于双氧水溶液中，40℃下恒温浸泡11h，浸泡后置于75℃下干燥1.5h，得到预处理秸秆；
（3）取预处理秸秆、填料、脱水污泥，混合搅拌13min，再置于球磨机中球磨6.5h，球磨机转速为280r/min，球磨后置于氮气环境中，微波条件下炭化9min，微波功率为350W；得到预处理生物炭；
（4）取步骤（3）处理后的预处理生物炭，置于氢氧化钠溶液中浸泡，浸泡温度为65℃，浸泡时间为0.8h，去离子水清洗25min，75℃下真空干燥，得到成品。
本实施例中，所述金属修复剂各组分原料包括：以重量计，植物秸秆12份、脱水污泥23份、填料10份；填料包括氧化锌、三氧化二铁，氧化锌、三氧化二铁的质量比为2：1；植物秸秆包括小麦秸秆和玉米秸秆，所述小麦秸秆和玉米秸秆的质量比为1：1。
对比例2：
一种生物炭土壤重金属修复剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）准备物料；
（2）取植物秸秆，去离子水清洗25min，85℃下真空干燥8-10h，粉碎过80目筛，再置于双氧水溶液中，40℃下恒温浸泡11h，浸泡后置于75℃下干燥1.5h，得到预处理秸秆；
（3）取预处理秸秆、脱水污泥，混合搅拌13min，置于氮气环境中，微波条件下炭化9min，微波功率为350W；得到预处理生物炭；
（4）取步骤（3）处理后的预处理生物炭，置于氢氧化钠溶液中浸泡，浸泡温度为65℃，浸泡时间为0.8h，去离子水清洗25min，75℃下真空干燥，得到成品。
本实施例中，所述金属修复剂各组分原料包括：以重量计，植物秸秆12份、脱水污泥23份；植物秸秆包括小麦秸秆和玉米秸秆，所述小麦秸秆和玉米秸秆的质量比为1：1。
检测试验：
取实施例1-3、对比例1-2制备的复合生物炭样品，分别称取0.02g复合生物炭样品于50mL离心管中，加入25mL、浓度为100mg/L的CuSO4、ZnSO4、Pb(NO3)2、Cd(NO3)2溶液，在25℃、150r/min条件下振荡4h，3500r/min下离心5min，上清液用过滤，并用TAS-990原子吸收分光光度计测定Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+浓度，计算吸附量。
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结论：本申请公开了一种生物炭土壤重金属修复剂及其制备方法，工艺设计合理，组分配比适宜，制备得到的重金属修复剂能够对重金属离子进行吸附，实际验证时，利用本发明制备的金属修复剂进行修复，重金属污染农用地经修复后符合《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》GB15618-2018标准。可应用于铅镉复合污染土壤的修复，同时材料性能稳定，长期有效，原料采用植物秸秆和污泥，变废为宝，天然环保成本低，生产周期较短，易于大规模生产，能够有效修复重金属污染土壤中铅镉复合污染，具有较高的实用性；
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种生物炭土壤重金属修复剂，其特征在于：所述金属修复剂各组分原料包括：以重量计，植物秸秆10-15份、污泥生物炭20-25份、填料8-12份。
2.根据权利要求1所述的一种生物炭土壤重金属修复剂，其特征在于：所述填料包括氧化锌、三氧化二铁，所述氧化锌、三氧化二铁的质量比为2：1。
3.根据权利要求1所述的一种生物炭土壤重金属修复剂，其特征在于：所述植物秸秆包括小麦秸秆和玉米秸秆，所述小麦秸秆和玉米秸秆的质量比为1：1。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种生物炭土壤重金属修复剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）准备物料；
（2）取植物秸秆，去离子水清洗，真空干燥，粉碎过80目筛，再置于双氧水溶液中，40℃下恒温浸泡，浸泡后干燥，得到预处理秸秆；
（3）取预处理秸秆、填料和柠檬酸，混合搅拌，再置于球磨机中球磨，，球磨后转移至管式炉中，真空条件下通入乙炔和氢气，以8-10℃/min升温速率升温至400-500℃，反应20-30min，得到预处理生物炭；
（4）取苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物，置于丁酮溶液中，混合搅拌，加入预处理生物炭和污泥生物炭，超声分散，再置于乙醇蒸汽气氛中，90-100℃下处理10-15min，去离子水中清洗，干燥后置于氮气环境中，微波条件下炭化8-10min；
（5）取步骤（4）处理后的预处理生物炭，置于氢氧化钠溶液中浸泡，去离子水清洗，真空干燥，得到成品。
5.根据权利要求4所述的一种生物炭土壤重金属修复剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）准备物料；
（2）取植物秸秆，去离子水清洗20-30min，80-90℃下真空干燥8-10h，粉碎过80目筛，再置于双氧水溶液中，40℃下恒温浸泡10-12h，浸泡后置于70-80℃下干燥1-2h，得到预处理秸秆；
（3）取预处理秸秆、填料和柠檬酸，混合搅拌10-15min，再置于球磨机中球磨6-7h，球磨机转速为250-300r/min，球磨后转移至管式炉中，真空条件下通入乙炔和氢气，以8-10℃/min升温速率升温至400-500℃，反应20-30min，得到预处理生物炭；
（4）取苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物，置于丁酮溶液中，混合搅拌20-30min，加入预处理生物炭和污泥生物炭，超声分散20-30min，再置于乙醇蒸汽气氛中，90-100℃下处理10-15min，去离子水中清洗3-6h，干燥后置于氮气环境中，微波条件下炭化8-10min；
（5）取步骤（4）处理后的预处理生物炭，置于氢氧化钠溶液中浸泡，去离子水清洗20-30min，70-80℃下真空干燥，得到成品。
6.根据权利要求5所述的一种生物炭土壤重金属修复剂的制备方法，其特征在于：所述污泥生物炭的制备方法为：取脱水污泥和氧化锌溶液，混合搅拌5-6h，搅拌转速为100-120rpm，70-75℃下干燥2-3h，再转移至100-105℃下烘干，得到污泥生物炭。
7.根据权利要求5所述的一种生物炭土壤重金属修复剂的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，微波功率为200-500W。
8.根据权利要求5所述的一种生物炭土壤重金属修复剂的制备方法，其特征在于：步骤（5）中，氢氧化钠溶液中浸泡时温度为60-70℃，浸泡时间为0.5-1h。
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