一种载镁生物炭及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种载镁生物炭及其制备方法和应用。所述载镁生物炭的制备方法是将粉碎的农林废弃物在氯化镁溶液中浸泡，超声，烘干后在厌氧条件下烧制。该载镁生物炭既可以提高纯生物炭对镉的吸附能力，又可以有效吸附砷。除净化镉砷污染的水体外，还可以同时钝化土壤中的镉和砷，减小镉和砷的移动性和有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种载镁生物炭及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种载镁生物炭及其制备方法和应用，属于重金属污染治理

技术介绍
我国农田土壤重金属污染严重，且多为多种重金属共存的复合污染，首次土壤污染调查公报显示Cd和As的土壤超标率位于第一和第三位。一方面含As、Cd的污水灌溉是造成土壤污染的原因之一，另一方面受污染土壤中的重金属可经过地表径流等作用进入水体，造成水体重金属污染。As、Cd等重金属污染严重威胁人类的食品安全和健康。生物炭作为一种新型修复材料，具有比表面积大、孔性好、富含富氧官能团，且稳定性好，可以有效吸附去除水体中的重金属，如镉、铅等，但对以阴离子存在的砷几乎没有吸附作用；而将生物炭施入土壤中后，虽然降低了镉和铅等重金属的移动性和有效性，但却增加了砷的移动性和有效性。目前还没有一种可以有效的同时吸附和固定As、Cd的修复材料与方法。因此，开发制备一种同时具备吸附镉和砷能力的吸附材料有重要实际意义。CN104587958A“负载铁氧化物的生物炭复合材料材料及其制备方法与应用”采用在超声波作用下强化三价铁盐溶液浸渍生物质原料，然后在缺氧条件下高温碳化制备负载铁的生物炭复合材料，虽然该材料能有效吸附水体中的砷，但在实际应用中三价铁离子可以转化为二价铁离子而溶解，丧失吸附能力，特别是在水稻-土壤体系淹水的厌氧条件下；而且也没有提高生物炭对金属离子如镉的吸附能力。CN106669603A“一种氧化镁-稻壳生物炭复合材料的制备方法及应用”将氧化镁悬浊液直接用来浸泡生物炭，然后进行二次热裂解，制得负载氧化镁的生物炭材料，氧化镁很难高度分散并负载在生物炭上，并且生物炭本身显碱性，氧化镁会快速沉淀到生物炭表面而很难进入生物炭的微孔，还有可能因为堵塞生物炭孔隙而减小生物炭吸附能力；除操作繁琐外，其应用只限于吸附水或土壤环境中的镉。
技术实现思路
针对目前还没有有效的修复剂同时具备对镉和砷的吸附作用，本专利技术特提供一种载镁生物炭。该载镁生物炭既可以提高纯生物炭对镉的吸附能力，又可以有效吸附砷。除净化镉砷污染的水体外，还可以同时钝化土壤中的镉和砷，减小镉和砷的移动性和有效性。本专利技术采用的技术方案如下。一种载镁生物炭的制备方法，将粉碎的农林废弃物在氯化镁溶液中浸泡，超声，烘干后在厌氧条件下烧制。所述农林废弃物为秸秆等农林废弃物。为了获得更好的效果，所述农林废弃物在制备前先于80-105℃烘干，粉碎为小于5mm粒径(优选2-3mm)的秸秆等农林废弃物。所述氯化镁溶液中氯化镁的浓度为0.2-2mol/L，优选0.4-0.6mol/L，更优选0.5mol/L。所述农林废弃物与氯化镁溶液的质量体积比为1:5-20(g:mL)，优选1:9-11。所述原材料在氯化镁溶液中浸泡后超声，浸泡时间为0.5-1h，超声1-2h，80℃烘干。本专利技术所述浸泡、超声、烘干后的农林废弃物在通氮气的厌氧条件下烧制或者将农林废弃物压实填入密闭的不锈钢罐中烧制。所述烧制温度为500-700℃；同时为了确保烧制效果，须以10-20℃/min的速度升温至烧制温度(500-700℃)并保持3-5h。作为本专利技术优选的实施方式，所述载镁生物炭的制备方法包括如下步骤：(1)先将农林废弃物在制备前于80-105℃烘干，粉碎为小于5mm粒径；(2)将步骤(1)处理后的农林废弃物在浓度为0.2-2mol/L的氯化镁溶液中浸泡，超声，烘干；(3)将步骤(2)所得烘干物料在500-700℃厌氧条件下烧制。本专利技术还提供上述制备方法制得的载镁生物炭。本专利技术还提供上述载镁生物炭在重金属污染治理中的应用。所述重金属为镉或砷。具体方法为：将所述载镁生物炭1-2g投入到1L水中，溶液pH值在3-10间均可。所述载镁生物炭可有效去除水中的镉或砷，其中镉的去除率达到99％以上，三价砷的去除率达到59％以上，五价砷的去除率达到33％以上，均远高于纯生物炭。本专利技术利用农林废弃物资源有效去除水体中的重金属元素。本专利技术载镁生物炭的制备方法操作简单、成本低廉，特别是可以同时对带正电荷的金属阳离子(如镉)和对带负电荷的阴离子(如砷)均有很强的吸附去除能力，弥补了纯生物炭只能有效吸附金属阳离子的缺陷，且吸附能力有了很大提升。特别是在淹水条件下的土壤–水稻体系中，本申请所述的载镁生物炭具有更强的砷吸附能力；而且，镁还是植物生长的必须大量元素，氧化镁最终解离后的镁离子可以为植物吸收利用，相当于施入了缓释镁肥，不会产生其他污染。附图说明图1为生物炭(BC)(a,c,e)和载镁生物炭(BC-Mg0.5)(b,d,f)的扫描电镜分析。图2为生物炭(BC)(上)和载镁生物炭(BC-Mg0.5)(下)的能谱分析。图3为生物炭(BC)和载镁生物炭(BC-Mg0.5)的XRD分析。图4为生物炭(BC)和载镁生物炭(BC-Mg0.5)的FTIR分析。具体实施方式以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。实施例1一种载镁生物炭本实施例提供一种载镁生物炭，其由如下方法制得：将烘干粉碎过2mm筛的稻秆与浓度为0.5mol/L的MgCl2溶液混合，浸渍液与生物质用量比为200mL:20g。浸泡0.5h后超声2h，80℃烘干。装入直径5cm、高8cm的不锈钢罐中，压实加盖，置于箱式电炉内，以20℃/min的升温速度升温至500℃，保持4h，冷却至室温取出。将制得的材料用去离子水抽滤洗涤10次，80℃烘干后研磨过100目筛，得到负载镁的生物炭复合材料BC-Mg0.5。实施例2一种载镁生物炭本实施例提供一种载镁生物炭，其由如下方法制得：将烘干粉碎过2mm筛的稻秆与浓度为2.0mol/L的MgCl2溶液混合，浸渍液与生物质用量比为200mL:20g。浸泡0.5h后超声2h，80℃烘干。装入直径5cm、高8cm的不锈钢罐中，压实加盖，置于箱式电炉内，以20℃/min的升温速度升温至500℃，保持4h，冷却至室温取出。将制得的材料用去离子水抽滤洗涤15次，80℃烘干后研磨过100目筛，得到负载镁的生物炭复合材料BC-Mg2.0。效果验证1、吸附材料的理化性质(1)纯生物炭(BC)及载镁生物炭BC-Mg0.5、BC-Mg2.0的理化性质如表1所示。表1生物炭及载镁生物炭的基本性质(2)如图1可知，生物炭(BC)和载镁生物炭(BC-Mg0.5)在2000、5000和10000放大倍数下的扫描电镜图片如图1所示。对比三组图片可以清晰地观察到，生物炭(a,c,e)的侧面较为平整，断面有少量的颗粒物质附着且分布有大量由高温裂解产生的直径约为0.5-3.0μm的微孔，孔道中几乎没有附着物。而载镁生物炭(b,d,f)的侧面和孔状结构中有大量的附着物存在，造成生物炭表面粗糙。因此，载镁生物炭较生物炭的表面形态产生了明显的变化，表面和孔中有大量附着质形成。使得载镁生物炭的比表面积、孔体积和平均孔径与纯生物炭相比有了很大程度的增加，分别增加3.67、4.67和0.29倍(见表2)。表2生物炭与载镁生物炭的BET比表面积、总孔体积和平均孔径吸附材料BET比表面积(m2/g)总孔体积(cm3/g)平均孔径(nm)BC27.640.068.23BC-Mg0.5128.990.3410.63(3)能谱分析(EDX)结果如图2所示。生物炭主要含有C、O和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种载镁生物炭的制备方法，其特征在于，将粉碎的农林废弃物在氯化镁溶液中浸泡，超声，烘干后在厌氧条件下烧制。

【技术特征摘要】
1.一种载镁生物炭的制备方法，其特征在于，将粉碎的农林废弃物在氯化镁溶液中浸泡，超声，烘干后在厌氧条件下烧制。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述农林废弃物在制备前先于80-105℃烘干，粉碎为小于5mm粒径。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氯化镁溶液中氯化镁的浓度为0.2-2mol/L，优选0.4-0.6mol/L，更优选0.5mol/L。4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述农林废弃物与氯化镁溶液的质量体积比为1:5-20(g:mL)，优选1:9-11(g:mL)。5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述原材料在氯化镁溶液中浸泡后超声，浸泡时间为0....

【专利技术属性】
技术研发人员：郑瑞伦，江荣风，王正行，孙国新，朱毅，侯新村，
申请(专利权)人：北京市农林科学院，
类型：发明
国别省市：北京,11