一种铁基生物炭材料、其制备工艺以及其在土壤污染治理中的应用制造技术

本发明专利技术属于土壤重金属修复技术领域，具体公开了一种制备铁基生物炭材料的方法、由此制备的铁基生物炭材料以及采用该铁基生物炭材料治理土壤中重金属污染的方法。本发明专利技术的铁基生物炭材料以生物质为原料，通过高温碳化的方法，在制备生物炭过程中，加入含铁化合物，将铁以特定比例掺杂，形成具有特殊结构和功能的铁基生物炭材料。该材料制备工艺简便、生产成本较低、生产周期较短，获得的铁基生物炭材料对砷镉复合污染土壤修复具有独特的作用，能有效降低土壤中砷镉的生物有效性，大幅度降低砷镉复合污染土壤中种植的农产品中砷镉的含量，且对农作物无毒副作用，施用安全，可大规模应用于对砷镉复合污染土壤的治理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及土壤重金属修复领域，具体涉及一种铁基生物炭材料、其制备工艺以及其在土壤污染治理中的应用。
技术介绍
重金属污染土壤中，砷镉复合污染问题突出，大约六分之一的稻田受到不同程度的砷镉复合污染，并且污染面积逐年上升。矿山开采和冶炼是土壤砷镉复合污染主要途径，废矿渣和尾矿砂中通常含有高浓度的砷和镉废矿石或尾砂，经自然风化和雨水侵蚀后，砷和镉会向土壤中释放，从而使土壤遭受严重的砷镉复合污染。过高的镉和砷会引起土壤生物学特性逐渐变异，导致土壤质量下降。并且土壤中砷和镉的生物迁移性和毒性较强，极易被作物吸收并积累，直接影响作物的品质和产量。并通过食物链对人类健康构成严重的危害。因此，如何修复砷镉复合污染土壤已成为一个亟待解决的重大问题。近年来生物炭材料在重金属污染修复方面的应用逐步得到重视。生物炭原料来源广泛，具有大量的微孔结构和巨大的比表面积，吸附能力较强，其吸附行为可以影响重金属在环境中的迁移、转化、生物生态效应以及受污染的环境介质的控制和修复等过程。生物炭表面含有大量的羧基、羟基和酸酐等多种官能基团以及负电荷，比表面积较大。施入到土壤后，生物炭能吸附重金属并将其固定在表面，显著降低大多数重金属的生物有效性，同时能改善土壤物理、化学和生物特性，使土壤肥力和作物产量均有一定程度的提高。但是，生物炭材料可显著提高土壤中砷的流动性与有效性。有研究报道，生物炭能够降低土壤滤出液中镉和锌的浓度(分别降低300倍和45倍)，但滤出液中砷的浓度明显提高，生物炭提高了砷的移动性。另外有研究报道，添加生物炭能改善水稻根际微环境和促进根表铁膜的形成，水稻根中Cd、Zn和Pb的浓度能分别下降98％、83％和72％，但是，砷的浓度则增加了327％。因此，如何改善生物炭的组成与性质，提高其吸附固定砷的能力，实现土壤砷镉的有效性的同时降低，是极富挑战性同时也是具有重大环境意义的工作。已有大量文献报道，零价铁能降低土壤中砷的生物有效性，零价铁具有较强的电子转移和吸附能力，在有氧的情况下，通过电子转移促进生物成矿与铁的氧化，从而促进土壤三价砷的氧化与五价砷的吸附固定；在无氧的情况下，可能将三价砷直接还原成零价。砷的生物有效性取决于其价态与形态，促进土壤砷的氧化与吸附固定，能够降低其有效性。因此，如何将生物炭与零价铁的环境作用结合，制备出铁基生物炭复合材料，从而同时降低土壤中砷镉的有效性，具有重要的意义。
技术实现思路
为了解决以上问题，本专利技术充分利用零价铁和生物炭的吸附和氧化还原性能，获得了能同时有效降低土壤中镉砷复合污染的铁基生物炭材料，该材料性能稳定，能保持长期的有效性，有利于修复镉砷复合污染土壤。因此，本专利技术一方面提供了一种制备铁基生物炭材料的方法，其包括如下步骤：1、制备生物炭材料：将生物质晾干、破碎，经加热处理后，继续升温到300℃～800℃，保温3～12小时，停止加热；2、制备铁和生物炭的混合物：将含铁化合物加入到步骤1制备的生物炭材料中，得到铁和生物炭的混合物，其中碳与铁的质量百分比为9～50：1，搅拌反应；3、生物炭材料的活化：将质量百分比为0.01～10％的还原剂溶液加入到步骤2制备的混合物中，搅拌反应2～6小时；4、铁基生物炭材料的制备：将乳化剂溶液加入到步骤3制备的生物炭活化材料中，在300℃～800℃温度下搅拌反应2～6小时，冷却、晾干和粉碎后，即得到铁基生物炭材料。在本专利技术优选的实施方案中，步骤1中的生物质为木本植物的根、茎和叶的一种或数种，优选棕榈和谷壳。在本专利技术优选的实施方案中，步骤1中的加热处理为缓慢加热到200℃，恒温2小时。在本专利技术优选的实施方案中，步骤1中以5℃/分钟的速率升温到300℃，保温12小时，或者以5℃/分钟的速率升温到800℃，保温3小时，更加优选以5℃/分钟的速率升温到500℃，保温9小时。在本专利技术优选的实施方案中，步骤2中的含铁化合物为无机和有机含铁化合物中的一种或数种，更加优选硫酸亚铁、硝酸铁和硫酸铁。在本专利技术优选的实施方案中，其中步骤3中的还原剂溶液为硼氢化钠或聚乙烯吡咯烷酮。在本专利技术优选的实施方案中，步骤3中的还原剂溶液为质量百分数为0.01～1％的硼氢化钠溶液，搅拌反应2小时。在本专利技术优选的实施方案中，步骤4中的乳化剂溶液为吐温系列(Tween)、斯潘系列或聚乙烯醇(PVA)。在本专利技术优选的实施方案中，步骤4中在300℃搅拌反应6小时，或者在800℃温度下搅拌反应2小时。本专利技术另一方面提供了根据本专利技术的方法制备得到的铁基生物炭材料。本专利技术再一方面还提供了采用本专利技术的铁基生物炭材料治理土壤中重金属污染的方法，其包括如下步骤：1、按照铁基生物炭材料与土壤质量比为1:10～1:500的比例，向重金属污染土壤中加入铁基生物炭材料，2、向处理的土壤中加水至淹没土壤。在本专利技术优选的实施方案中，该重金属污染土壤为砷镉复合污染土壤。在本专利技术优选的实施方案中，铁基生物炭材料与土壤质量比为3:100。与现有土壤修复技术相比，本专利技术具有如下优点：1、本专利技术充分利用获得的铁基生物炭材料的吸附和氧化还原性能，能够有效降低土壤中镉砷复合污染的生物有效性，且该材料性能稳定，能够保持长期的有效性，有利于修复镉砷复合污染土壤。2、本专利技术的铁基生物炭材料为环境友好材料，也是健康土壤中本身所含有的土壤成分，并且生物炭能够改善土壤物理、化学和生物特性，调节土壤pH值，加快土壤微生物代谢，从而提高土壤肥力。因此，在应用过程中对目标土壤不会产生任何二次污染。3、本专利技术的制备工艺简便、原料来源广泛、生产成本较低、生产周期较短，易于大规模生产。由此可见，本专利技术可用于降低重金属污染土壤中砷镉复合污染物的生物有效性。同时，也可以充分利用和发挥土壤本身的缓冲重金属污染的能力，通过添加铁基生物炭材料，降低土壤镉砷的生物有效性，减少农作物对土壤镉砷吸收。因此，本专利技术的铁基生物炭材料对重金属污染土壤修复和生态安全保障具有重要的社会和经济意义。附图说明图1为铁基生物炭材料的TEM(A)、XRD(B)、SEM(C)和EDS(D)表征结果图。图2为铁基生物炭材料的XPS全谱图。图3为铁基生物炭材料对五价砷吸附动力学曲线图。图4为铁基生物炭材料对三价砷吸附动力学曲线图。图5为重金属污染土壤经铁基生物炭材料处理前后，稻米籽粒中砷镉含量的变化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备铁基生物炭材料的方法，包括如下步骤：(1)制备生物炭材料：将生物质晾干、破碎，经加热处理后，继续升温到300℃～800℃，保温3～12小时，停止加热；(2)制备铁和生物炭的混合物：将含铁化合物加入到步骤(1)制备的生物炭材料中，得到铁和生物炭的混合物，其中碳与铁的质量百分比为9～50：1，搅拌反应；(3)生物炭材料的活化：将质量百分比为0.01～10％的还原剂溶液加入到步骤(2)制备的混合物中，搅拌反应2～6小时；(4)铁基生物炭材料的制备：将乳化剂溶液加入到步骤(3)制备的生物炭活化材料中，在300℃～800℃温度下搅拌反应2～6小时，冷却、晾干和粉碎后，即得到铁基生物炭材料。

【技术特征摘要】
1.一种制备铁基生物炭材料的方法，包括如下步骤：
(1)制备生物炭材料：将生物质晾干、破碎，经加热处理后，继续升
温到300℃～800℃，保温3～12小时，停止加热；
(2)制备铁和生物炭的混合物：将含铁化合物加入到步骤(1)制备
的生物炭材料中，得到铁和生物炭的混合物，其中碳与铁的质量百分比为
9～50：1，搅拌反应；
(3)生物炭材料的活化：将质量百分比为0.01～10％的还原剂溶液加
入到步骤(2)制备的混合物中，搅拌反应2～6小时；
(4)铁基生物炭材料的制备：将乳化剂溶液加入到步骤(3)制备的
生物炭活化材料中，在300℃～800℃温度下搅拌反应2～6小时，冷却、
晾干和粉碎后，即得到铁基生物炭材料。
2.根据权利要求1所述的制备铁基生物炭材料的方法，其中步骤(1)
中的生物质为木本植物的根、茎和叶的一种或数种，优选棕榈和谷壳。
3.根据权利要求1所述的制备铁基生物炭材料的方法，其中步骤(1)
中的加热处理为缓慢加热到200℃，恒温2小时。
4.根据权利要求1所述的制备铁基生物炭材料的方法，其中步骤(1)
中以5℃/分钟的速率升温到300℃，保温12小时，或者以5℃/分钟的速率
升温到800℃，保温3小时，优选以5℃/分钟的速率升温到500℃，保温9
小时。
5.根据权利要求1所述的制备铁基生物炭材料的方法，其中步...

【专利技术属性】
技术研发人员：李芳柏，崔江虎，刘传平，刘承帅，
申请(专利权)人：广东省生态环境与土壤研究所广东省土壤科学博物馆，
类型：发明
国别省市：广东;44