[發(fā)明專利]一種熱量循環(huán)利用的吸附固定土壤鎘銅的改性生物炭的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910707132.0
• 申請(qǐng)日: 2019-08-01
• 公開（公告）號(hào): CN110586030B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張曦;孟海波;趙立欣;沈玉君;王惠惠;周海賓;王鑫宇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院
• 主分類號(hào): B01J20/20
• 分類號(hào): B01J20/20;B01J20/30;B09C1/00
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 趙靜

本發(fā)明公開了一種熱量循環(huán)利用的吸附固定土壤鎘銅的改性生物炭制備方法。該方法包括下述步驟：1)將農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物晾干、粉碎，將連續(xù)熱解炭化裝置升溫至450℃～600℃，加入粉碎后的農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物進(jìn)行熱解，熱解結(jié)束后降溫冷卻；2)將H₂O₂溶液與生物炭進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后過濾，收集沉淀；3)將磷酸鹽溶液與活化后的生物炭進(jìn)行反應(yīng)，先利用熱解過程回收的熱量加熱至50～80℃下反應(yīng)2～4h；接著在室溫(20～30℃)下反應(yīng)20～30h，過濾收集沉淀；4)將磷酸鹽改性生物炭轉(zhuǎn)移至加熱器內(nèi)，然后升溫至450℃～600℃進(jìn)行活化，即得。該材料穩(wěn)定性強(qiáng)，長(zhǎng)期有效，利于Cd和Cu復(fù)合污染土壤的修復(fù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于土壤修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種熱量循環(huán)利用的吸附固定土壤鎘銅的改性生物炭的制備方法。

背景技術(shù)

礦產(chǎn)資源的無序開發(fā)和現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致大量重金屬進(jìn)入土壤，并通過食物鏈、地表徑流和大氣擴(kuò)散等途徑污染周邊的農(nóng)產(chǎn)品、水體和大氣，帶來嚴(yán)重的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。由于重金屬多存在伴生現(xiàn)象，以及受大氣沉降等影響，重金屬多呈現(xiàn)復(fù)合污染的特點(diǎn)，其中，銅(Cu)冶煉廠排放了大量的銅(Cu)、鎘(Cd)等重金屬進(jìn)入到土壤環(huán)境中，造成土壤銅鎘復(fù)合污染，并使Cd和Cu在土壤中大量的積累。某大型銅冶煉廠礦渣的堆棄，占地幾百畝，加上少量無組織排放的酸性尾氣，使得廠區(qū)周邊土壤嚴(yán)重退化，土壤呈酸性，土壤中重金屬Cd含量為0.33～6.87mg/kg，Cu含量為102.31～415.34mg/kg，均已超過土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重威脅到農(nóng)作物生長(zhǎng)和農(nóng)產(chǎn)品安全，迫切需要有效的土壤Cd和Cu污染治理和控制技術(shù)。

化學(xué)固定修復(fù)技術(shù)以低的投入成本、操作工藝的簡(jiǎn)單、使用效果快等優(yōu)點(diǎn)，在重金屬污染土壤修復(fù)中得到廣泛的重視和關(guān)注。化學(xué)固定修復(fù)通過向重金屬污染土壤中加入降低重金屬活性的物質(zhì)(磷礦石和粉煤灰等無機(jī)物料、生物炭和堆肥等有機(jī)物料及新型材料等)，改變土壤pH值、陽(yáng)離子交換量(CEC)等化學(xué)反應(yīng)(吸附、沉淀、絡(luò)合等)條件，進(jìn)而改變重金屬的形態(tài)、水溶性和遷移性，形成不溶性或移動(dòng)性差、毒性小的物質(zhì)，從而減少土壤重金屬的生物毒害性和降低其在農(nóng)作物產(chǎn)品中的遷移和積累量。同時(shí)，可結(jié)合其他修復(fù)措施持久地消除污染，實(shí)現(xiàn)土壤重金屬污染的化學(xué)修復(fù)。

生物炭由于其巨大的比表面積、富含烷基和芳香性基團(tuán)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定而被作為土壤吸附固定劑用于重金屬污染土壤修復(fù)。生物炭表面各種基團(tuán)和表面離子發(fā)生配位和離子交換反應(yīng)，能對(duì)重金屬進(jìn)行有效吸附固定，降低其生物有效性。生物炭本身的電動(dòng)電勢(shì)為負(fù)值，會(huì)吸附土壤中帶正電的重金屬離子(如Cd²⁺、Cu²⁺)等，從而降低重金屬的移動(dòng)性。此外，生物炭表面帶有很多含氧官能團(tuán)(如羧基、羥基)，土壤重金屬離子很容易與這些官能團(tuán)形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。梁媛等(2013)選取牛糞生物炭和水稻秸稈生物炭對(duì)Pb、Zn、Cd復(fù)合污染土壤的化學(xué)穩(wěn)定修復(fù)研究發(fā)現(xiàn)，牛糞生物炭對(duì)Pb、Cd的修復(fù)效果高于水稻秸稈生物炭，對(duì)Zn的修復(fù)效果基本相同。崔紅標(biāo)等(2013)利用田間小區(qū)試驗(yàn)研究了鐵粉、磷灰石、石灰等修復(fù)劑對(duì)Cd和Cu復(fù)合污染土壤的修復(fù)效果，其中磷灰石、石灰的加入顯著降低了有效態(tài)Cu含量，但對(duì)有效態(tài)Cd含量影響較小，鐵粉對(duì)Cu、Cd的使用效果均不明顯。不同種類吸附固定材料在土壤中和重金屬的作用機(jī)制、反應(yīng)過程不同，修復(fù)效果也存在差異。生物質(zhì)炭的吸附固定效果取決于原材料類型、熱解工藝特點(diǎn)及輸入土壤環(huán)境特征3個(gè)方面，通常情況下，對(duì)于特定的生物質(zhì)原材料，熱解溫度是影響生物質(zhì)炭物理化學(xué)結(jié)構(gòu)特性的最重要因素。李飛躍等(2015)研究熱解溫度(200～700℃)對(duì)生物質(zhì)炭產(chǎn)率、元素組成、表面官能團(tuán)分布及其穩(wěn)定性的影響，紅外光譜分析結(jié)果表明，經(jīng)過熱解核桃殼原材料分子中所含的-C-O和O-CH₃基團(tuán)消失，隨著熱解溫度升高，生物質(zhì)炭中的烷烴基團(tuán)-CH逐漸減少，芳香化程度逐漸升高，而這些結(jié)構(gòu)組成的變化也會(huì)影響生物炭對(duì)土壤重金屬的吸附固定效果。因此，熱解溫度、原料等生物炭制備工藝對(duì)其吸附固定重金屬有較大的影響。