一种重金属污染土壤修复材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种重金属污染土壤修复材料及其制备方法和应用。该修复材料为热解生物炭，该热解生物炭负载有铁离子、磷元素和羟基基团，该热解生物炭还具有孔道结构。修复土壤时，磷元素和羟基基团优先作用到土壤中，之后铁离子才缓慢释放出来，通过铁离子、磷元素和羟基基团作用到土壤中的不同顺序，能有效处理存在拮抗因素的重金属污染土壤，减少拮抗的影响。响。响。

【技术实现步骤摘要】
一种重金属污染土壤修复材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于重金属污染土壤治理
，具体涉及一种重金属污染土壤修复材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]目前，土壤重金属污染状况不容乐观，并且存在多种重金属复合污染的问题。特别是矿区土壤，重金属超标位点高达33.4％，主要重金属土壤污染的元素为Cd、Pb、As，有色金属矿区周边的土壤重金属污染更为严重。
[0003]稳定化修复是土壤重金属污染修复的主要技术之一，而稳定化材料是稳定化修复技术的核心。稳定化材料包括粘土材料、含磷材料、有机材料等，通过其对重金属的吸附、表面络合、氧化还原、沉淀和共沉淀等作用，促进土壤中污染物的迁移，降低环境风险。然而，一方面，由于土壤中多种因子的影响，稳定化材料对重金属污染土壤的修复效果存在差异；另一方面，与单一污染相比，重金属复合污染土壤中元素或化合物之间存在相互作用，这些相互作用会影响对污染土壤的修复。
[0004]现有的研究主要通过复配多种稳定化剂来提升对土壤重金属的稳定化效果，但由于大部分效果较好的稳定化药剂本身就存在化学毒性，施用不当容易对土壤造成二次污染。此外，大多数稳定化药剂都是针对单一重金属污染土壤或修复原理相似的几种重金属污染的土壤，而对于存在拮抗因素(如镉、铅、砷)的重金属复合污染土壤的修复材料的研发还很少。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提供了一种重金属污染土壤修复材料，该修复材料为热解生物炭，该热解生物炭负载有铁离子、磷元素和羟基基团，该热解生物炭还具有孔道结构。修复土壤时，磷元素和羟基基团优先作用到土壤中，之后铁离子再缓慢释放出来。通过铁离子、磷元素和羟基基团作用到土壤中的不同顺序，能有效处理存在拮抗因素的重金属污染土壤，减少拮抗的影响。
[0006]本专利技术还提供了上述重金属污染土壤修复材料的制备方法。
[0007]本专利技术还提供了上述重金属污染土壤修复材料在重金属污染土壤修复中的应用。
[0008]本专利技术的第一方面提供了一种重金属污染土壤修复材料，包括：
[0009]热解生物炭；
[0010]所述热解生物炭负载有铁离子、磷元素和羟基基团，所述热解生物炭具有孔道结构。
[0011]热解生物炭的制备方法为：取破碎的生物质作为原材料，包括水稻秸秆、棕榈叶、松树原木和竹子，置于真空管式炉中，充氮气后，650℃保持2.5h，炭化后冷却至室温研磨过筛，得到热解生物炭。
[0012]本专利技术中记载的重金属污染土壤，主要指同时被镉、铅和砷复合污染的土壤。
[0013]同时被镉、铅和砷复合污染的土壤，与单一污染土壤相比，土壤的理化性质和污染物表现出的特性等方面会有所区别，给土壤污染增加了复杂性。通常，复合污染物之间会发生相互作用，表现为拮抗作用、加和作用和协同作用。拮抗作用是指一种污染物的存在会抑制另一种污染物的吸收及其生物效应。多种污染物在动植物体内转运吸收的过程中，对载体上的结合位点发生相互竞争作用，从而影响某一种污染物的吸收。镉、铅共同存在时，铅会夺取镉在土壤中的吸附点，增加镉的活性，提高土壤中镉的生物有效性。在土壤中有铅的共存条件下，会显著减少植物对砷的吸收。
[0014]土壤重金属的固定受pH影响很大，不同的重金属受pH影响表现出不同的移动性特征。镉在pH 3～8的范围内溶解度随pH的升高而降低；铅在pH＞6后溶解度反而增大，As在碱性溶液中具有较强的溶解性。上述影响使得同时固定三种重金属难度增大。
[0015]磷酸盐钝化剂包括可溶性(磷酸、磷酸二氢钾、磷酸二氢钙等)和难溶性(磷石膏、磷矿石、羟基磷灰石等)。难溶性磷酸盐能否很好的钝化土壤中的重金属，主要受土壤pH限制。pH为5时，铅能被较快钝化下来，主要是因为在该pH条件下，生成Pb5(PO4)3OH的速度很快。可溶性磷酸盐加入到土壤中，会降低土壤的pH，从而增加其他重金属如砷的淋溶性。磷和砷是同族元素，两者性质相似，产生拮抗作用，导致PO
43-与AsO
43-形成竞争吸附，PO
43-取代土壤中AsO
43-的吸附点位，从而释放出砷，增强其移动性。
[0016]本专利技术的重金属污染土壤修复材料与重金属污染土壤接触后，负载在热解生物炭表面的磷元素和羟基基团会首先与重金属污染土壤的铅、镉发生反应，然后铁离子再缓慢释放出来，与重金属污染土壤中的砷、铅、镉共沉淀，最终实现了对存在拮抗因素影响的重金属污染土壤的处理。
[0017]根据本专利技术的一种实施方式，所述重金属污染土壤修复材料的比表面积大于240m2/g。
[0018]根据本专利技术的一种实施方式，所述重金属污染土壤修复材料的粒径≤0.25mm。
[0019]本专利技术的第二方面提供了重金属污染土壤修复材料的制备方法，包括以下步骤：
[0020]S1：将所述热解生物炭加入碱溶液中，常温浸渍后，进行第一次热解；
[0021]S2：将步骤S1处理后的热解生物炭加入铁盐和尿素的混合溶液中，第一次加热处理后，进行第二次热解；
[0022]S3：将步骤S2处理后的热解生物炭与磷源溶液混匀，第二次加热处理后过滤，将滤渣进行第三次热解，即得所述的重金属污染土壤修复材料。
[0023]上述制备方法中，先对热解生物炭进行铁改性，然后再进行磷改性，二者顺序不能调换。因为如果先进行磷改性再铁改性的话，先接触到土壤的是铁，铁会降低土壤中的砷、铅、镉，会有分流，达不到最好的对砷的稳定化效果，然后磷再继续释放出来，又会将砷活化。
[0024]根据本专利技术的一种实施方式，所述碱溶液为NaOH溶液或KOH溶液。
[0025]热解生物炭在制备过程中会产生固态的无机盐、液态的焦油以及气态的一氧化碳、二氧化碳、甲烷等副产物，这些灰分会影响生物炭的吸附性能。碱改性可以很大程度上减少灰分含量，从而增加生物炭的比表面积，进而提高吸附能力。碱改性还可以增加生物炭的羟基、氨基等碱性基团，提供更多的吸附位点。碱溶液对生物炭有强腐蚀性，使得生物炭空隙之间的碎片以及孔壁被腐蚀，将生物炭内部孔道疏通，形成微孔，增大其比表面积及孔
径。
[0026]步骤S1中，将热解生物炭加入碱溶液中，可以改善表面结构，强化吸附活化性能，增加比表面积，引入含氧官能团(如羟基、氨基、羧基等)，属于共价键改性方法。
[0027]根据本专利技术的一种实施方式，所述常温浸渍的时间为12～36h。
[0028]根据本专利技术的一种实施方式，所述铁盐为三价铁盐。
[0029]根据本专利技术的一种优选实施方式，所述铁盐为硝酸铁。
[0030]硝酸铁与尿素可合成尿素铁(III)配合物，热分解后可得到γ-Fe2O3纳米粉体，具有更好的重金属稳定效果。
[0031]步骤S2中，铁改性一方面可增加生物炭表面CEC(Cation Exchange Capacity，阳离子交换量)，提高对重金属的吸附能力；另一方面铁离子附着本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种重金属污染土壤修复材料，其特征在于，包括：热解生物炭；所述热解生物炭负载有铁离子、磷元素和羟基基团，所述热解生物炭具有孔道结构。2.根据权利要求1所述的重金属污染土壤修复材料，其特征在于，所述重金属污染土壤修复材料的比表面积大于240m2/g。3.根据权利要求1所述的重金属污染土壤修复材料，其特征在于，所述重金属污染土壤修复材料的粒径≤0.25mm。4.根据权利要求1至3任一项所述的重金属污染土壤修复材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将所述热解生物炭加入碱溶液中，常温浸渍后，进行第一次热解；S2：将步骤S1处理后的热解生物炭加入铁盐和尿素的混合溶液中，第一次加热处理后，进行第二次热解；S3：将步骤S2处理后的热解生物炭与磷源溶液混匀...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳坤，游萍，李倩，彭达，周睿，李灿，叶世明，袁翠玉，陈伟，王兵，万斯，曹柏林，尹柳娟，彭新平，万文玉，朱安玲，
申请(专利权)人：湖南有色金属研究院，
类型：发明
国别省市：