[發明專利]一種用于凈化磷污染水體負載鑭生物炭的制備方法

有效

• 申請號: 201410020824.5
• 申請日: 2014-01-17
• 公開（公告）號: CN103785357A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: 王建國;戴敏;巢軍委
• 申請（專利權）人: 中國科學院南京土壤研究所
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/30;C02F1/28;C02F1/58
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 唐循文

技術領域

本發明屬于富營養水體凈化技術領域，具體涉及一種廉價高效、可二次利用的用于凈化磷污染水體負載鑭生物炭的制備方法。

背景技術

水體富營養化是世界各國普遍存在的環保問題，我國也不例外，而且隨著我國社會經濟的快速發展，水體富營養化呈現普遍和日益嚴重的發展態勢。所謂水體富營養化是指氮、磷等植物營養物質含量過多所引起的水質污染現象。在造成水體富營養化的氮、磷二因子中，磷被視為限制因子。因此，如何去除富營養化水體中的磷一直是人們關注的焦點和研究的熱點。同時也研究和發展了多種除磷技術如生物除磷法、化學沉淀法、結晶、離子交換和吸附等，其中，吸附法以其操作簡便易行、效率高、反應快成為最常用的技術。在吸附法中，研發了多種吸附劑如氧化鋁、針鐵礦、粉煤灰、蒙脫土、沸石、介孔氧化硅等。但由于傳統的吸附劑存在著吸附能力低、吸附速率慢、吸附條件較為嚴格（通常只在特定的pH或溫度范圍內起作用)等問題，限制了其應用。

由于稀土元素的氧化物往往具有較高的吸附陰離子的能力，所以近年來，利用稀土元素去除陰離子污染物和吸附去除水體中磷的研究多有報道。其中，鑭因其價廉以及氧化鑭的零電位點較高等特點，已被應用于水體的吸附除磷。然而，由于氧化鑭一般以超細顆粒的粉末狀（粒徑在10-44μm之間)存在，不易于回收，也增加了廢水除磷成本；同時將氧化鑭直接應用于水體中，過量的鑭會對一些水生生物造成毒害，影響了整個水生生態系統。由此可見，只有將鑭負載到穩定性強、孔隙率較高的載體上才能實現其環境友好性應用。

生物炭一般是指農作物（秸稈類)或樹木等植物材料在缺氧或絕氧條件下熱解產生的一類具有大孔隙率和比表面積的碳材料。生物炭因其具有極大的穩定性，施入土壤后可發揮固碳減排的作用；因其具有較大的比表面積且表面一般帶負電，被用于吸附去除水體中的重金屬和有機污染物，而難以吸附去除以陰離子形式存在的污染物。

發明內容

解決的技術問題：為了充分利用氧化鑭和生物碳的優勢并克服它們的不足，本發明將鑭負載到生物炭上形成負載鑭生物碳，目的在于提供一種既除磷效率高，工藝簡便易行，成本低，又充分利用秸稈廢棄物，還可二次利用的用于凈化磷污染水體負載鑭生物炭的制備方法。

技術方案：用于凈化磷污染水體負載鑭生物炭的制備方法，制備步驟為：1)制備生物炭原料A₀：風干玉米秸稈破碎成0.1-0.5cm的塊狀，用去離子水對其進行反復洗滌至洗滌液遇鉬酸銨和抗壞血酸不顯藍色；然后將洗滌后的秸稈置于烘箱中烘干至恒重，粉碎，過60-100目篩的物料即為A₀；2)制備生物炭原料和鑭混合物A₁：先將氯化鑭加入蒸餾水中，再加入A₀，其加入比例為：A₀與蒸餾水的質量體積比為1:10（g/mL）、與鑭元素的質量比為5%-15%；邊攪拌上述混合溶液邊逐滴加入4-6M?NaOH或氨水至溶液為pH≥10，繼續攪拌1-2h，再在4000-5000rpm下離心5-8min，倒掉上清液，將剩余固體用乙醇清洗2-4遍后放入烘箱中烘干至恒重即為A₁；3)制備負載鑭生物炭A₂：將A₁搗碎置于坩堝中，再放入馬弗爐中300-600℃焙燒20-100min，冷卻至室溫后取出，過60-100目篩的物料用蒸餾水離心，轉速4000-5000rpm，時間5-8min，清洗至pH<8，烘干，過60-100目篩的物料即為A₂。

步驟1）中塊狀玉米秸稈烘干溫度為60-80℃，烘干時間為12-24h。

步驟2）中混合溶液中鑭元素與A₀的質量比為11.13%。乙醇清洗后的固體其烘干溫度為105-110℃，烘干時間為6-12h。

步驟3）中A₁在馬弗爐中的焙燒溫度為580℃。A₁在馬弗爐中焙燒時達到最高溫度的保持時間為100min。熱解產物離心清洗后的烘干溫度為105-110℃，烘干時間為6-12h。

有益效果：1、本發明所述方法所制備的用于凈化富營養化水體的負載鑭生物炭即A₂具有很強的除磷能力，使用Langmuir模型計算得到的最大單層吸附量Q_m為25.5mg?P/g（表1)使其在吸附能力方面相比現在通用的活性炭吸附劑以及同類的鑭負載型吸附劑在吸附能力方面都具有一定的競爭優勢（表2)，可以切實有效地降低水體的富營養化風險；