[发明专利]一种用于同时去除铅砷复合污染的铁硫共掺杂生物炭材料的制备及应用

说明书

本发明涉及一种用于同时去除砷铅复合污染的铁硫共掺杂生物炭材料的制备及应用。其中所述铁硫共掺杂生物炭材料是由秸秆粉末以及含硫酸亚铁、硫代硫酸钠的悬浊液按固液比为（7~12）g:100mL的比例经过10~36小时磁力搅拌充分混合，冷冻干燥后在250~450℃热解1~3小时而得。所述悬浊液中硫酸亚铁和硫代硫酸钠摩尔比为（0.7~2）：1。所述铁硫共掺杂生物炭能同时高效吸附复合污染水体中的砷铅，24小时内对As(Ⅲ)的最佳去除率达96%以上，对Pb(Ⅱ)的去除率达93%以上；且在pH为3~6条件下对As(Ⅲ)和Pb(Ⅱ)的去除率均能保持在90%以上。本发明所述铁硫共掺杂生物炭是通过原料浸渍后一次煅烧而得，操作简单且对砷铅去除效果显著，对于砷铅复合污染的工业废水治理具有实际意义。

技术领域

本发明属于重金属处理技术领域，涉及一种用于同时去除铅砷复合污染的改性生物炭材料的制备及应用。

背景技术

铅和砷广泛存在于自然界，作为“五毒元素”（镉、汞、砷、铅、铬）之二，其对环境和人体健康安全的影响受到广泛关注。水体中的砷铅复合污染主要是在冶炼、采矿、电镀等工业过程中产生的。水体中的三价砷As(Ⅲ)具有较高的毒性、迁移率和溶解度。铅则通常以Pb(Ⅱ)的形式存在于废水中。砷铅复合污染不易被化学或生物降解，可以通过摄入而在人体内富集，对人体的胃、肠道、肝脏、肾脏等器官具由极大的危害。为了减轻砷铅共污染对人们健康的影响，世界卫生组织（WHO）制定了饮用水中砷的国际最高污染水平为 10 ppb，铅为10 ppb。 因此，修复水溶液中的砷和铅污染至关重要。

目前已采用化学沉淀法、电化学处理法、膜分离法、离子交换法和吸附法等多种净化技术处理废水中的As(Ⅲ)和Pb(Ⅱ)。相比于化学沉淀法会产生大量污泥、电化学和膜分离等方法成本高昂等局限性，吸附因其操作简单、成本效益高、无需污泥处理等特殊优点，被认为是最有应用前景的技术之一。

利用秸秆等农业废弃物制备的生物炭具有孔隙结构发达、脂肪链结构稳定、来源广泛等优点，已被广泛用作经济型吸附剂。相较于未改性的生物炭，铁基和硫基改性生物炭对As(Ⅲ)和Pb(Ⅱ)具有较好的吸附能力。目前已经有研究证实生物炭共同负载铁硫的可行性：（1）中国专利申请（公布号CN 111229160 A）提出了一种同时固载硫化亚铁和零价铁的生物炭的制备方法—将烧制的玉米秸秆生物炭经亲水处理后，在厌氧条件中与硫酸亚铁、硫化钠连续搅拌而得，使材料对废水中的铅有良好的吸附性能。但该方法单一地只考虑了材料对铅的去除，而实际废水中通常存在多种重金属的复合污染，所以其应用范围颇为受限。（2）中国专利申请（公布号CN 111925806 A）提出了一种硫掺杂纳米四氧化三铁/生物炭复合材料制备方法，将四氧化三铁负载和硫改性结合，使材料对砷铅具有高效吸附性能，但其制备过程需要多次高温煅烧且硫的改性过程需要在无氧环境中连续搅拌进行，程序繁琐、成本较高且对制备条件要求严格，不利于在实际应用中的大规模生产。

发明内容

正如目前大部分铁硫共掺杂材料，上述硫化零价铁、纳米铁硫化物等同样存在容易氧化、团聚等问题，且其制备过程中需要通氮、多次煅烧，生成的材料极易氧化需要无氧保存，制备条件苛刻、成本高昂且通常只考虑对单一重金属的去除。为了克服这些问题，本发明提供一种通过一次煅烧同时将铁基和硫基官能团负载在生物炭上、且能同时高效去除砷铅污染的铁硫共掺杂生物炭的制备方法和应用方法。其中，本发明经过反复实验研究，创造性的利用硫酸亚铁和硫代硫酸钠在与生物质浸泡过程中发生反应，因而可以通过煅烧将铁氧化物、铁硫化物负载在生物炭上，最终产物稳定易于保存且具有高效去除砷铅的能力。

本发明提供一种用于同时去除铅砷复合污染的改性生物炭材料的制备方法，包括：所述的改性生物炭材料是由硫酸亚铁和硫代硫酸钠以及生物质通过热解形成的铁硫共掺杂生物炭。将秸秆粉末与硫酸亚铁、硫代硫酸钠的悬浊液经磁力搅拌充分混合后冷冻干燥，保护气氛中在250~450℃煅烧，保持温度1~3小时，得到热解产物即为铁硫共掺杂生物炭。

在一个具体实施方式中，所选秸秆为水稻秸秆。