[发明专利]一种用于砷镉污染土壤修复的炭基复合材料及其应用

说明书

本发明公开了一种用于砷镉污染土壤修复的炭基复合材料及应用。本发明的炭基复合材料以农作物秸秆为原料，通过炭化制备成生物炭，再以一定固液比与铁盐溶液混合，此过程中调节溶液pH值使两者共沉淀，热解形成炭基复合材料。本发明制备的炭基复合材料在砷镉复合污染土壤上应用，结合翻耕、洒水等方法能明显降低有效态砷镉含量，使土壤中砷镉向生物毒性和迁移性较小的方向转化，还能在一定程度上改善土壤理化性质，适于在多种类型土壤上施用。对于水体中砷镉离子也能够有效去除，制备过程操作步骤简单，材料来源广泛，生产成本低廉，环境友好。

技术领域

本发明涉及重金属污染土壤修复领域，具体涉及一种用于砷镉污染土壤修复的炭基复合材料及其应用。

背景技术

As由于对人类具有高致癌性及遗传毒性而被WHO列为优先控制污染物。在南亚和东南亚，因地球化学作用产生的地下水As污染已导致数百万人口As慢性中毒，成为了人类历史上最严重的环境灾害事件。化肥农药施用，杀虫剂生产，煤炭燃烧及长期的矿冶活动等均会引起As污染。人体长期慢性砷中毒会导致肝癌、皮肤癌等严重疾病并伴有致畸、致突变作用。Cd也是对人类毒害最大的重金属之一。进入人体的Cd在人体内形成Cd硫蛋白，通过血液到达全身，并有选择性地聚积于肾、肝中，造成肾脏损害，严重还会使骨骼生长代谢受到阻碍导致骨痛病甚至骨癌。

土壤污染问题通常以某一种污染物为主，并同时存在着其他污染物，即复合污染问题。据报道，目前我国受Cd、As、Cr、Pb等重金属污染的耕地面积近2500万hm²，约占总耕地面积的1/5。华南地区约有一半的农田遭受Cd、As等有毒重金属污染，长三角地区大部分农田受两种以上重金属污染，因此，土壤重金属复合污染已成为一个重要的环境问题，对人体健康和国家粮食安全造成严重威胁。目前，土壤重金属污染的治理途径主要通过改变重金属在土壤中的存在形态，将污染物钝化，从而减少其在土壤中的迁移性和生物可利用性。常用的处理手段有物理修复、化学修复、生物修复、农艺措施修复等，其中化学修复是根据土壤和重金属性质，向土壤中施加合适的改良剂来实现的，具有成本低廉、易于实施、对土壤扰动小、改良剂来源范围广等优点。生物炭是在限氧或无氧的条件下，将农业废弃物等经过低温(＜700℃)热裂解炭化形成的一类多孔、高度芳香化、难溶的固态物质，是环境领域和农业领域的潜在应用者，被广泛研究应用于水体和土壤中各类无机污染物和有机污染物的吸附。生物炭对于重金属阳离子Cd、Pb、Cu等具有良好的吸附效应，吸附能力优于其他大部分农林废弃物和活性炭。然而对阴离子As几乎无或很少吸附。铁化合物对As具有很强的选择性配位作用，但其颗粒极细(纳米级粒径)，实际应用时容易损失，难以直接工业化应用。因此，制备以生物炭为主体负载铁化合物的炭基复合材料，除了可以吸附水体和土壤中As、Cd等重金属污染物，降低其生物有效性外，还能够改善土壤理化性质，对于修复As、Cd复合污染土壤具有很大的应用潜力。

发明内容

本发明提供了一种用于砷镉污染土壤修复的炭基复合材料及其应用，具有同时修复As、Cd污染土壤、改善土壤理化性状、操作步骤简单、制备材料来源广泛等优点。本发明主要解决的技术问题包括：能够同时有效降低重金属复合污染土壤中阴离子As和阳离子Cd的活性，提高土壤有机质和速效钾等养分含量，不会造成土壤酸化或全氮、碱解氮含量大幅度降低等问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于砷镉污染土壤修复的炭基复合材料，其特征在于，通过以下方法制得，具体操作步骤如下：

(1)秸秆生物炭制备将农作物秸秆切碎成3-5cm左右的小段，洗净后自然风干，放入炭化炉中热解，升温速率保持在4-6℃/min，使得热解终温为300-500℃，热解1～2h后取出，自然冷却至室温，即制得生物炭原料；

(2)铁盐溶液配置称取一定质量的Fe(NO₃)₃试剂，加入去离子水完全溶解，配成摩尔浓度为0.4mol/L的铁盐溶液；