[發明專利]一種用于同時去除鉛砷復合污染的鐵硫共摻雜生物炭材料的制備及應用

有效

• 申請號: 202110933025.7
• 申請日: 2021-08-13
• 公開（公告）號: CN113856621B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發明（設計）人: 林親鐵;陳怡君;溫小情;李家琦;吳禮濱;楊丹琳;何金
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/30;C02F1/28;C02F101/10;C02F101/20
• 代理公司: 北京知本村知識產權代理事務所(普通合伙) 11039
• 代理人: 劉江良

本發明涉及一種用于同時去除砷鉛復合污染的鐵硫共摻雜生物炭材料的制備及應用。其中所述鐵硫共摻雜生物炭材料是由秸稈粉末以及含硫酸亞鐵、硫代硫酸鈉的懸濁液按固液比為（7~12）g:100mL的比例經過10~36小時磁力攪拌充分混合，冷凍干燥后在250~450℃熱解1~3小時而得。所述懸濁液中硫酸亞鐵和硫代硫酸鈉摩爾比為（0.7~2）：1。所述鐵硫共摻雜生物炭能同時高效吸附復合污染水體中的砷鉛，24小時內對As(Ⅲ)的最佳去除率達96%以上，對Pb(Ⅱ)的去除率達93%以上；且在pH為3~6條件下對As(Ⅲ)和Pb(Ⅱ)的去除率均能保持在90%以上。本發明所述鐵硫共摻雜生物炭是通過原料浸漬后一次煅燒而得，操作簡單且對砷鉛去除效果顯著，對于砷鉛復合污染的工業廢水治理具有實際意義。

技術領域

本發明屬于重金屬處理技術領域，涉及一種用于同時去除鉛砷復合污染的改性生物炭材料的制備及應用。

背景技術

鉛和砷廣泛存在于自然界，作為“五毒元素”（鎘、汞、砷、鉛、鉻）之二，其對環境和人體健康安全的影響受到廣泛關注。水體中的砷鉛復合污染主要是在冶煉、采礦、電鍍等工業過程中產生的。水體中的三價砷As(Ⅲ)具有較高的毒性、遷移率和溶解度。鉛則通常以Pb(Ⅱ)的形式存在于廢水中。砷鉛復合污染不易被化學或生物降解，可以通過攝入而在人體內富集，對人體的胃、腸道、肝臟、腎臟等器官具由極大的危害。為了減輕砷鉛共污染對人們健康的影響，世界衛生組織（WHO）制定了飲用水中砷的國際最高污染水平為 10 ppb，鉛為10 ppb。 因此，修復水溶液中的砷和鉛污染至關重要。

目前已采用化學沉淀法、電化學處理法、膜分離法、離子交換法和吸附法等多種凈化技術處理廢水中的As(Ⅲ)和Pb(Ⅱ)。相比于化學沉淀法會產生大量污泥、電化學和膜分離等方法成本高昂等局限性，吸附因其操作簡單、成本效益高、無需污泥處理等特殊優點，被認為是最有應用前景的技術之一。

利用秸稈等農業廢棄物制備的生物炭具有孔隙結構發達、脂肪鏈結構穩定、來源廣泛等優點，已被廣泛用作經濟型吸附劑。相較于未改性的生物炭，鐵基和硫基改性生物炭對As(Ⅲ)和Pb(Ⅱ)具有較好的吸附能力。目前已經有研究證實生物炭共同負載鐵硫的可行性：（1）中國專利申請（公布號CN 111229160 A）提出了一種同時固載硫化亞鐵和零價鐵的生物炭的制備方法—將燒制的玉米秸稈生物炭經親水處理后，在厭氧條件中與硫酸亞鐵、硫化鈉連續攪拌而得，使材料對廢水中的鉛有良好的吸附性能。但該方法單一地只考慮了材料對鉛的去除，而實際廢水中通常存在多種重金屬的復合污染，所以其應用范圍頗為受限。（2）中國專利申請（公布號CN 111925806 A）提出了一種硫摻雜納米四氧化三鐵/生物炭復合材料制備方法，將四氧化三鐵負載和硫改性結合，使材料對砷鉛具有高效吸附性能，但其制備過程需要多次高溫煅燒且硫的改性過程需要在無氧環境中連續攪拌進行，程序繁瑣、成本較高且對制備條件要求嚴格，不利于在實際應用中的大規模生產。

發明內容

正如目前大部分鐵硫共摻雜材料，上述硫化零價鐵、納米鐵硫化物等同樣存在容易氧化、團聚等問題，且其制備過程中需要通氮、多次煅燒，生成的材料極易氧化需要無氧保存，制備條件苛刻、成本高昂且通常只考慮對單一重金屬的去除。為了克服這些問題，本發明提供一種通過一次煅燒同時將鐵基和硫基官能團負載在生物炭上、且能同時高效去除砷鉛污染的鐵硫共摻雜生物炭的制備方法和應用方法。其中，本發明經過反復實驗研究，創造性的利用硫酸亞鐵和硫代硫酸鈉在與生物質浸泡過程中發生反應，因而可以通過煅燒將鐵氧化物、鐵硫化物負載在生物炭上，最終產物穩定易于保存且具有高效去除砷鉛的能力。

本發明提供一種用于同時去除鉛砷復合污染的改性生物炭材料的制備方法，包括：所述的改性生物炭材料是由硫酸亞鐵和硫代硫酸鈉以及生物質通過熱解形成的鐵硫共摻雜生物炭。將秸稈粉末與硫酸亞鐵、硫代硫酸鈉的懸濁液經磁力攪拌充分混合后冷凍干燥，保護氣氛中在250~450℃煅燒，保持溫度1~3小時，得到熱解產物即為鐵硫共摻雜生物炭。

在一個具體實施方式中，所選秸稈為水稻秸稈。