一种用于人工湿地填料的生物炭负载纳米铁系改性复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种新型的生物炭负载纳米铁系改性复合材料。其特征在于，以不同温度的生物炭作为载体，利用液相还原法，制备复合材料。制备出的生物炭负载纳米铁系改性复合材料具备为人工湿地中反硝化微生物提供电子给体的能力，通过此过程可提高人工湿地的反硝化作用。此外，生物炭负载纳米铁系改性复合材料作为新型填料不但可以生成三价铁离子和二价铜离子来吸附磷，而且可以利用生物炭表面的金属氧化物作为活性吸附位点通过沉淀、吸附和絮凝去除磷。相较于未添加生物炭负载纳米铁系改性复合材料的传统人工湿地，添加组的磷去除效率最高可达到未添加组的5倍以上。最高可达到未添加组的5倍以上。最高可达到未添加组的5倍以上。

【技术实现步骤摘要】
一种用于人工湿地填料的生物炭负载纳米铁系改性复合材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及人工湿地填料领域，特别是一种应用生物炭负载纳米铁系改性复合材料制备 人工湿地新型填料的方法。以本专利技术制备的新型填料，具有选择性去除硝酸盐的优点，兼有 高效的磷去除效率。

技术介绍

[0002]硝酸盐(NO3‑
)是全球地表水中最普遍的污染物之一。硝酸盐随着地表水流入到湖泊、 河流等水生态环境中会刺激藻类等水生植物过度生长，从而通过毒性作用或氧气消耗来直接 或间接的伤害水生生物，并造成水体的富营养化。此外，如果硝酸盐被自然或人工过程还原 为亚硝酸盐(NO2‑
)，就会对人类健康尤其是婴幼儿造成极大的威胁。去除地表水中的硝酸盐 的方法通常包括物理化学法和生物法。反渗透、离子交换、电渗析等，由于效率低、成本高、 副产品有害等缺点，不适合进行大规模的应用。因此，迫切需要一种环保、低成本、高效的 技术来对地表水中的硝酸盐进行处理。
[0003]人工湿地由于其成本低、维护简单、操作简单、环境友好等优点，已成为一种广受关注 的水污染处理技术。以石英砂、砾石和陶粒为基质的传统人工湿地由于基质本身的吸附作用 和植物吸收作用所以对悬浮物和有机物的去除效果较好，但对硝酸盐这一类污染的去除性能 较差。人工湿地的硝酸盐去除机理主要包括植物吸收、离子交换和各种微生物的作用，其中 生物反硝化作用是最主要途径，其主要是反硝化细菌把硝酸盐转化为亚硝酸盐进一步转化为 一氧化氮最终形成氮气来达到硝酸盐去除的目的。人工湿地反硝化作用需要充足的电子供体， 但含硝酸盐的地表水中通常缺乏电子供体，从而导致人工湿地对硝酸盐的去除效率比较低下。 此前，多通过投加甲醇、乙酸钠等有机碳源作为电子供体来保证人工湿地反硝化的完全。但 是，成本高、投入量难以控制、甚至可能造成二次污染等不足，限制了其在人工湿地中的应 用。因此，有需要寻找一种环境友好、成本低廉、易于回收的电子供体来提高人工湿地中硝 酸盐的去除。
[0004]目前，关于如何选择性提高人工湿地中硝酸盐净化效果的专利技术较少，并且缺乏系统的理 论和研究。本专利技术利用生物炭负载纳米铁系改性复合材料，提高了人工湿地对硝酸盐的选择 性去除并揭示其作用机理。

技术实现思路

[0005]为了克服传统人工湿地的不足，提高人工湿地硝酸盐选择性去除效率，本专利技术提供了一 种生物炭负载纳米铁系材料制备人工湿地新型填料的方法。
[0006]本专利技术的一种生物炭负载纳米铁系复合材料制备人工湿地新型填料的制备方法采用以下 技术方案：
[0007]将生物炭先后加入CuSO4·
5H2O、FeSO4·
7H2O溶液中震荡摇匀。然后将新鲜配制的过 量硼氢化钾溶液和聚乙烯吡咯烷酮滴入混合物中，搅拌30分钟后洗净。在此过程中，铁、
铜 双金属被固定在生物炭表面，得到生物炭负载纳米铁系材料的人工湿地新型填料。
[0008]一种生物炭负载纳米铁系材料制备人工湿地新型填料的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)一定量的生物炭加入CuSO4·
5H2O溶液中，震荡1小时后用去离子水洗涤3次；
[0010](2)将步骤(1)得到的样品加入到FeSO4·
7H2O溶液(2.78g
·
L
‑1)中，摇匀1小时；
[0011](3)将新鲜配制的过量硼氢化钾溶液和100mg聚乙烯吡咯烷酮滴入步骤(2)中的混合 物，搅拌30分钟后洗净。在此过程中，铁铜双金属被固定在生物炭表面，得到生物炭负载纳 米铁系改性复合材料的人工湿地新型填料。
[0012](4)最后，用强力磁铁将生物炭负载纳米铁系改性复合材料从水中分离，在真空冷冻干 燥保存。
[0013]制备过程中，不同的铜、铁比例是通过改变初始铜离子溶液来调节。
[0014]优选地，步骤(1)(2)中铁、铜和生物炭的添加比例为质量比：1∶0.5∶3、1∶1∶3、1∶2∶3、 1∶0.5∶2、1∶1∶2、1∶2∶2、1∶0.5∶4、1∶1∶4、1∶2∶4。
[0015]本专利技术使用的生物炭负载纳米铁系复合材料，可大量合成且合成方法简单。本专利技术制备 的人工湿地新型填料，可用作人工湿地中硝酸盐的去除，具有较高的去除效率和良好的稳定 性。本专利技术制备过程简单，原料简单易得，不需要昂贵设备，在将来人工湿地填料的大规模 应用中具有广阔的发展前景。
附图说明
[0016]图1是人工湿地新型填料的制作过程图。
[0017]图2是生物炭负载纳米铁系复合材料的SEM图，可见明显的多孔结构。
[0018]图3
‑
4是生物炭负载纳米铁系复合材料的TEM图和XRD
‑
XPS图，可见铁、铜双金属被 成功负载在生物炭上，并可见明显的纳米孔状结构。
[0019]图5是不同铁：铜：生物炭配比和新型的生物炭负载纳米铁系改性复合材料的投加量对 硝酸盐的去除效果和硝酸盐对亚硝酸盐、氨氮和氮气的选择性图。
[0020]图6是人工湿地的出水水质变化图。
[0021]图7展现了微生物丰富度、多样性指标(CWc为对照组人工湿地、A1为Fe
‑
Cu/BC500 添加组人工湿地、A2为Fe
‑
Cu/BC700添加组人工湿地、A3为Fe
‑
Cu/BC900添加组人工湿地， Fe
‑
Cu/BC500、Fe
‑
Cu/BC700、Fe
‑
Cu/BC900分别为500℃、700℃、900℃条件下的生物炭所 制备的新型的生物炭负载纳米铁系改性复合材料)。
[0022]图8是人工湿地的门的物种组成(a)、纲物种组成(b)和属物种组成(c)图。
具体实施方式
[0023]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例的附图， 对本专利技术实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在无 需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0024]本专利技术的一种新型的生物炭负载纳米铁系改性复合材料制备人工湿地新型填料的制备方 法，将生物炭先后加入CuSO4·
5H2O、FeSO4·
7H2O溶液中震荡摇匀。然后将新鲜配
制的过 量KBH4溶液和聚乙烯吡咯烷酮滴入混合物中，搅拌30分钟后洗净。在此过程中，铁铜双金 属被固定在生物炭表面，得到生物炭负载纳米铁系材料的人工湿地新型填料。
[0025]以下结合具体实施例，对本专利技术进行详细说明。
[0026]实施例一：先取1.16g生物炭加入CuSO4·
5H2O溶液(2.50g
·
L
‑1)中，震荡1小时后用 去离子水洗涤3次；再将其加入到FeSO4·
7H2O溶液(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物炭负载纳米铁系改性复合材料制备人工湿地新型填料，其特征在于，将生物炭先后加入CuSO4·
5H2O、FeSO4·
7H2O溶液中震荡摇匀。然后将过量硼氢化钾(KBH4)溶液和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)滴入混合物中。在此过程中，铁铜双金属被固定在生物炭表面，得到生物炭负载纳米铁系材料的人工湿地新型填料。2.根据权利要求1所述的一种生物炭负载纳米铁系改性复合材料，其特征在于：芦苇经过洗涤、干燥和粉碎后，过0.15mm的筛，作为制作生物炭的原材料。生物炭是利用马弗炉，在500℃、700℃和900℃的条件下限氧热解1小时获得。3.根据权利要求1所述的一种生物炭负载纳米铁系改性复合材料，其特征在于：所述材料显示高效的电子传输能力具有大量的活性吸附位点，除可高效的选择去除硝酸盐外，还可通过沉淀、吸附和絮凝去除磷。4.根据权利要求1所述的一种人工湿地新型填料，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔范龙，王康，王森，侯伟豪，于政达，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：