[發明專利]一種生物炭基材料的制備及其在去除水環境中典型有機氯農藥中的應用

在審

• 申請號: 201710455568.6
• 申請日: 2017-06-16
• 公開（公告）號: CN107175072A
• 公開（公告）日: 2017-09-19
• 發明（設計）人: 何琦;盧少勇;曹鳳梅;陳方鑫
• 申請（專利權）人: 中國環境科學研究院
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/30;C02F1/28;C02F101/36
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司34101
• 代理人: 喬恒婷

技術領域

本發明涉及一種生物炭基材料的制備及其在去除水環境中典型有機氯農藥中的應用，屬于有機污染物治理的技術領域。

背景技術

硫丹，是有機氯農藥(OCPs)的一種。我國從1994年開始使用硫丹，1994-2004年用于棉花、煙草、茶樹、小麥和蘋果的硫丹總量約為2.57萬噸，主要使用地區集中在新疆、華東地區、華中地區和西南地區。2011年硫丹被列入第三批《斯德哥爾摩公約》污染物清單。目前，市場上常使用的是35％的硫丹乳油產品。2016年12月，我國公布“十三五”生態環境保護規劃，規劃要求削減淘汰公約管制化學品，其中要求截止到2020年，基本淘汰硫丹等一批《關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》管制的化學品。

硫丹的分子式為C₉H₆CI₆O₃S，正辛醇水分配系數logK_ow為3.6，水生生物的蓄積因子為1000-3000。β-硫丹較α-硫丹降解慢，半衰期分別為33～376和7～75d。由于其半衰期較長、遷移能力強、富集性高，在水體環境中已普遍檢測出硫丹的存在。我國大凌河流域水體中硫丹總量為2.06ng/L，江蘇省的淮河流域的地表水源中α-硫丹達到33.3ng/L,β-硫丹達到6.7ng/L，丹江口水庫的間隙水中β-硫丹含量達22.17ng/L。印度恒河流域檢測出硫丹總量水體中為166.39ng/L，底泥中為353.5ng/g。美國南加州地表水、底泥及魚類也檢測出較高的硫丹，且遠超美國EPA規定的能引起慢性毒性效應的水質標準(56ng/L)。歐洲丹麥飲用水中硫丹濃度已經超過了歐洲飲用水硫丹含量標準(0.1μg/L⁾。硫丹通過地表徑流、淋、溶、干/濕沉降等方式進入水體，在直接影響大型水生植物和浮游藻類的同時，給魚類等水生動物的生理生化、內分泌毒性、遺傳毒性及代謝機制產生急性或慢性效應。因此亟需開展對水中硫丹去除技術的開發。

目前對于OCPs的去除方法有生物法、化學法及物理法。硫丹碳環上的氯原子電負性極高，硫原子與氧原子組成的共價鍵較穩定，在水體中也易與氫原子形成氫鍵，這些性質使得它們具有極高的穩定性，并且硫丹的降解產物硫丹二醇及硫丹硫酸鹽也具有毒性，傳統的化學法和生物降解都很難應用到硫丹的去除技術中。目前，吸附法是較經濟且較高效的方法，二氧化硅、木炭、粘土、碳納米管等常被用做吸附硫丹的吸附劑，但是由于上述吸附劑存在經濟費用高或效率低等缺陷，造成使用受限。

發明內容

本發明是為了避免上述現有技術所存在的不足之處，旨在提供一種生物炭基材料的制備及其在去除水環境中典型有機氯農藥中的應用。

生物炭來源廣泛，價格低廉，可生物降解，質地疏松，比表面積大，表面吸附位點較多，有利于去除有機污染物。本發明以含水率較高、灰分較高的濕地植物為生物炭材料的基礎，利用限氧升溫手段對其進行熱解，制備對水環境中α-硫丹(Alpha–Endosulfan)和β-硫丹(Beta-endosulfan)均具有高效吸附特性的吸附材料，對處理較高濃度的硫丹廢水具有積極的借鑒意義和潛在應用價值。

限氧升溫手段，是利用階段式升溫程序對生物質材料進行熱解的一種手段。熱解過程中，通入適量氮氣，營造無氧氛圍，熱解過程中產生的生物氣、熱解焦油等都可進行收集。此方法制備的生物炭較傳統馬弗爐法制備的碳材料比表面積大，吸附效果好。

本發明生物炭基材料的制備，包括如下步驟：

步驟1：預處理

將濕地植物從野外獲取后，用去離子水洗去根部泥土，將植物剪碎(小于5cm)，在通風處放置兩天除去濕地植物的表層水，隨后在100℃的溫度下干燥至恒重去除結合水；

所述濕地植物為美人蕉或菖蒲。

步驟2：長纖維的去除

將預處理后的濕地植物通過植物破碎機粉碎至100-300目，混合均勻后過200目篩，獲得生物質材料；

步驟3：限氧升溫法制備生物炭基材料

將步驟2獲得的生物質材料置于剛玉容器中，放入管式爐，通入氮氣，通過限氧升溫的方式獲得生物炭基材料。所得生物炭基材料降至室溫后置于棕色廣口瓶中，密封常溫保存。

步驟3中氮氣的通入流量控制在300mL/min。

步驟3中升溫過程控制如下：