[发明专利]一种改性植物型生物炭及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种改性植物型生物炭及其制备方法和应用，属于植物型生物炭领域。本发明以一种杂草类植物——商陆为原材料，将商陆植物型生物炭依次经碱性溶液浸泡、恒温振荡、离心取沉淀物、土壤掩埋压实、高温焙烧、冷却干燥、去除杂质，研磨过筛得改性植物型生物炭。本发明通过对植物型生物炭进行碱性高温改性，提高了对水体中重金属Cd的吸附效率，对重金属Cd污染的水体具有良好的吸附效果，吸附率可达97.26％。本发明的改性方法实施简单，材料价廉易得，且改性及应用过程对生态环境无毒害作用，为生物炭的改性提供一种简易，清洁的方法。

技术领域

本发明涉及一种改性的植物型生物炭及其制备方法和作为吸附剂对水体中重金属Cd的吸附中的应用，属于植物型生物炭领域。

背景技术

生物炭是由生物残体在缺氧的情况下，经高温慢热解(通常<700℃)产生的一类难熔的、稳定的、高度芳香化的、富含碳素的固态物质。通古至今，生物炭有很多种类，其主要可以分为两大类，即植物炭和动物炭。植物炭例如竹炭、木炭、秸秆碳、果壳炭；动物炭例如动物骨骼炭、动物粪便炭。碳、氢、氧等元素构成了生物炭的主要部分，其中主要是碳元素占70～80％。水体中的重金属可以通过物理方法和化学方法去除。但化学方法往往会给水体增加一些不必要的化学元素。物理吸附能够吸附水中的微小粒径的杂质，方法更加简单，环保。

生物炭之所以能够吸附重金属污染的水体中的重金属，其主要原因是由于其特定的结构和理化性质。从微观结构上看，生物炭多由紧密堆积、高度扭曲的方向环片组成，X射线表明其有乱层结构。其中烷基和芳香结构是最主要的成分。从理化性质上看，生物炭因具有显著的多孔性质，从而具有比表面积、孔融、表观密度等大的特点，而这些特点构成了生物炭具有吸附性的必要条件。同时生物炭作为一种含碳物质具有极高的稳定性，在生产和储存过程使环境中大量的碳元素大量聚集，起到增汇减排的作用。从而能够避免环境中的动植物残体在垃圾处理中大量燃烧释放CO₂，加剧温室效应，给环境带来更多的伤害，影响全球气候变化同时增加全球热辐射平衡。

随着工农业的发展，尤其是矿山开采和重金属冶炼相关行业的快速发展，重金属镉污染逐渐成为严重的生态问题，已引起广泛关注。我国重金属镉污染状况不容乐观，尤其是矿山、尾矿库区等地土壤和水体的重金属污染更为严重，再加之过度的开采，导致矿区土地退化，生物多样性锐减，土地生产力丧失，出现矿区石漠化等现象。镉是环境污染中毒性最强的元素之一，在我国，截至1998年受镉污染的农业土壤面积达1.3×10⁴km²。上世纪60年代，日本富山县神通川流域发生的由镉污染引发的骨痛病，使得镉对土壤和水体的污染及其生物有效性等方面的问题为全世界所关注。镉是动物和植物的非必需元素，也是毒性最大的重金属元素之一。大量研究表明，即使涉入少量的镉，人体也可通过生物放大和生物积累，对人体产生一系列的损伤，甚至具有一定的致癌和致突变性。此外，镉在人体内的半衰期长达10-35年之久，为己知的在体内蓄积毒性较一长的有毒物质。植物可以通过叶片直接吸收镉，土壤更是植物体中镉的主要来源，受镉毒害的植物不能正常生长，并且生物量呈下降趋势，而镉通过食物链的累积和放大效应，对人体和动物产生的危害更加不容忽视。同时，镉污染也会导致土壤酶活性下降。镉(Cd)作为水体中主要的重金属污染物之一，因移动性大、毒性高而受到广泛重视。在三峡库区消落带沉积物已检测出Cd对水体污染潜在危害，所以大力发展水体中镉污染去除工艺迫在眉睫。现阶段去除水体中重金属离子的主要方法有化学沉淀法、离子交换法、吸附、膜过滤和电化学处理技术。而吸附法被认为是有效且经济的去除水体中重金属的方法之一，因吸附剂吸附具有容量大、选择性强、操作简便、有害副产物少、处理效率高、可重复利用等优点。

目前常用的吸附剂主要有：微生物菌剂、天然沸石、活性炭等。而微生物菌剂具有难调控，易受重金属影响活性，天然沸石存在资源匮乏，且吸附率较低等特点。相比之下，活性炭吸附具有吸附效率高，材料价廉易得，且实现资源合理化利用等优点。因此选取合适的改良方法对生物炭进行改性对有效去除水体中的Cd元素具有重要意义。

发明内容