[发明专利]一种炭基复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种炭基复合材料及其制备方法与应用，本发明通过将改性生物质炭、炼铁水洗炉渣和赤泥按一定比例混合后得到炭基复合材料，所述炭基复合材料利用改性生物质炭、炼铁水洗炉渣与赤泥三种材料对重金属污染土壤进行修复，三者协同作用，实现了对砷、镉复合污染土壤的低成本高效修复，实现对砷、镉两种化学形态和土壤环境行为均不同的污染元素的同时高效固定；此外，本发明提供的炭基复合材料能够有效降低土壤中的砷、镉含量，减少植株对砷、镉的吸收，并提高作物的生物量。

技术领域

本发明属于土壤重金属修复技术领域，涉及一种炭基复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

砷、镉均为有毒有害的微量元素，过量的砷和镉进入农田土壤后会不断累积，不仅其含量会超过土壤环境背景值，并且会长期危害农作物，同时会造成土壤菌群和微生物数量减少，从而影响微生物多样性，使得土壤质量、种植安全、食品安全、居民身体健康以及生态安全均受到严重威胁。流行病学资料显示，镉污染主要会对污染区居民的身体健康尤其是妇女的生殖健康和儿童的生长发育产生不良影响。砷及其化合物则已经被世界卫生组织等多个权威机构公认为易致癌物质，人体长期慢性砷中毒会引发皮肤癌、肺癌、膀胱癌及多脏器的肿瘤，并伴有致畸、致突变作用。

目前，土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地环境质量堪忧，土壤标率为16.1％，污染类型多种多样，主要以镉、汞、砷等重金属为代表的无机污染物超标最为严重，其中镉的超标率高达7.0％，是耕地中最常见的重金属污染物，农田土壤中第二大污染物砷的点位超标率位居第三，为2.7％。

土壤砷镉复合污染的成因大致上可分为天然地质成因和人为原因，其中采矿与冶炼等工业生产活动及“三废”不经处理随意排放是土壤砷、镉复合污染的最重要来源之二。修复重金属污染土壤的技术途径主要包括以下三种：一是改变重金属在土壤中的存在形态，降低其在环境中的生物可迁移性和可利用性；二是从土壤中去除重金属，使得重金属浓度接近或达到土壤背景值；三是减少重金属在食物链或食物网的传递中产生的风险。目前，土壤重金属污染的修复方法大致上可以分为工程措施、电动修复技术、原位钝化技术、化学淋洗技术、生物修复技术和农艺措施等。相较于均具有一定局限性的其他土壤重金属污染修复技术，原位钝化技术以其适用范围广、技术成熟、操作性强、经济高效、材料来源广泛等诸多优点脱颖而出，成为近年来土壤砷镉污染治理的热点修复技术之一，并在今后很长一段时间内，面对大面积存在的中轻度砷镉含量超标的农田，原位钝化修复技术将具有不可比拟的优势。

其中钝化材料的筛选及钝化制剂的研发是原位钝化修复技术研究的关键。目前，常见的钝化材料大致分为包括含磷类、硅钙类、黏土矿物、金属及金属氧化物和工业废弃物等在内的无机类材料、有机类材料、生物炭、新型材料、复合材料这五大类。其中生物炭及相关炭基类材料于近年来受到了广大科研人员的关注，这也说明生物炭类材料的进一步研发将会成为今后的发展趋势。

生物炭是指一种在低氧或缺氧环境下将各类有机废物原料等进行碳化而制备出的富碳物质。其以其碳含量高、阳离子交换能力强、比表面积大、官能团丰富、结构稳定、绿色环保等特点和优点在土壤污染修复与治理领域显示出其巨大的应用潜力和良好的应用前景，从而越来越受到人们的关注和重视，但许多研究表明生物炭对砷的固定能力不佳，对镉的固定能力也有限。所以近年来，对生物炭进行有目的性的改性已成为研究热点，研究人员通过增大其比表面积和空隙结构，增加其表面官能团数量和种类，或者将其他改性物质负载于生物炭表面使其与目标重金属发生反应，从而加强生物炭的修复性能。